Leta 2008 je snop protonov prvič zadrtal okoli velikega hadronskega trkalnika (LHC), najzmogljivejšega pospeševalca delcev na svetu. Zdaj, desetletje pozneje, je čas, da preučimo, kaj smo se naučili s tem objektom in kaj nas čaka.
To računovodstvo vključuje tako prihodnje raziskave, ki jih LHC lahko izvaja, in morebitne nove zmogljivosti, ki bi lahko trčile delce pri energijah, ki so daleč od tistega, kar lahko doseže LHC. Predlagana sta dve, ali morda trije možni nadomestki za LHC. Torej, preglejmo, kje smo in kam smo prišli v zadnjem desetletju.
Zgodba o LHC je navdušujoča in burna, dogodki pa segajo od katastrofalne škode na ogromnih magnetih instrumenta v prvih dneh delovanja do feniksa, ki se je zgodil v tej tragediji, čemur so sledila trdna in vznemirljiva odkritja, vključno z odkrivanjem Higgsov bozon. Takšno najdbo sta si zaslužila Peter Higgs in Francois Englert Nobelove nagrade, kot sta napovedala delček pred pol stoletja. Za svet je nenavadno, da hitro spremljajo novice o fiziki delcev, toda napoved Higgsovega odkritja je vodila informativne oddaje po vsem svetu.
Iskanje nove fizike
Tudi fiziki so bili na robu sedežev in so čakali, kaj upajo, da bodo nepričakovana odkritja. Skoraj pol stoletja so znanstveniki razvili trenutno teoretično razumevanje vedenja subatomskih snovi. To razumevanje imenujemo standardni model fizike delcev.
Model pojasnjuje opaženo vedenje molekul in atomov navadne snovi in celo najmanjših znanih gradnikov, ki so jih kdaj opazili. Te delce imenujemo kvarki in leptoni, s kvarki, ki jih najdemo znotraj protonov in nevtronov, ki sestavljajo jedro atoma, in elektroni so najbolj znani lepton. Standardni model pojasnjuje tudi obnašanje vseh znanih sil, razen gravitacije. Resnično izjemen znanstveni dosežek.
Vendar standardni model ne pojasni vseh stvari v teoretični fiziki. Ne pojasnjuje, zakaj se zdi, da kvarki in leptoni obstajajo v treh različnih, vendar skoraj identičnih konfiguracijah, imenovanih generacijah. (Zakaj tri? Zakaj ne dve? Ali štiri? Ali eno? Ali 20?) Ta model ne pojasnjuje, zakaj je naše vesolje v celoti sestavljeno iz materije, ko najpreprostejše razumevanje teorije relativnosti Alberta Einsteina pravi, da mora vesolje vsebovati tudi enaka količina antimaterije.
Standardni model ne pojasnjuje, zakaj študije kozmosa kažejo, da navadna materija atomov predstavlja le 5 odstotkov snovi in energije vesolja. Mislimo, da je preostanek sestavljen iz temne snovi in temne energije. Temna snov je oblika snovi, ki doživlja samo gravitacijo in nobene druge osnovne sile, medtem ko je temna energija oblika odbojne gravitacije, ki prežema kozmos.
Pred prvimi operacijami LHC-ja so fiziki, kot sem jaz, upali, da nam bo atom razbijanja pomagal odgovoriti na ta zagonetna vprašanja. Najpogosteje citirana teorija kandidatov za razlago teh ugank je bila imenovana superpersimetrija. Predlaga, da imajo vsi znani subatomski delci delce "superpartnerja". Ti bi lahko razložili temno snov in odgovorili na nekatera druga vprašanja. Vendar fiziki niso opazili supersimetrije. Podatki LHC so izključili najpreprostejše teorije, ki vključujejo super-simetrijo. Kaj je torej dosegel LHC?
LHC je naredil veliko
No, poleg te celote Higgsovega bozona, je LHC navajal podatke za svoja štiri velika eksperimentalna sodelovanja, kar je povzročilo več kot 2000 znanstvenih člankov. Znotraj LHC-ja so se delci med seboj razbili s 6,5-krat večjo energijo, kot jo je dosegel Fermilab Tevatron, ki je četrt stoletja nosil naslov najmočnejšega pospeševalca delcev na svetu, dokler LHC ni prevzel te krone.
Ti testi standardnega modela so bili zelo pomembni. Vsaka od teh meritev se ne bi mogla strinjati s napovedmi, kar bi privedlo do odkritja. Vendar se izkaže, da je standardni model zelo dobra teorija in je dal natančne napovedi pri energijah trčenja LHC kot za energijske ravni v prejšnjem Tevatronu.
Je to težava? V zelo resničnem smislu je odgovor ne. Navsezadnje gre pri znanosti toliko za preizkušanje in zavračanje napačnih novih idej, kot za potrjevanje pravilnih.
Po drugi strani pa ne moremo zanikati, da bi bili znanstveniki veliko bolj navdušeni nad iskanjem pojavov, ki prej niso bili predvideni. Te vrste odkritja poganjajo človeško znanje, vrhunec pa je v prepisovanju učbenikov.
Zgodba LHC še ni končana
Torej, kaj zdaj? Ali nam je LHC končal pripovedovati svojo zgodbo? Komaj. Dejansko se raziskovalci veselijo izboljšav opreme, ki jim bodo pomagale pri preučevanju vprašanj, ki jih s trenutno tehnologijo ne morejo rešiti. LHC so v začetku decembra 2018 ustavili za dve leti prenov in nadgradenj. Ko bo pospeševalec obnovil delovanje spomladi 2021, se bo vrnil z rahlim povečanjem energije, vendar podvojil število trkov na sekundo. Glede na prihodnje načrtovane nadgradnje so znanstveniki LHC doslej zabeležili le 3 odstotke pričakovanih podatkov. Medtem ko bo trajalo veliko let, da bodo preusmerili vse ugotovitve, bo sedanji načrt zabeležiti približno 30-krat več podatkov, kot jih je bilo do zdaj pridobljenih. Glede na veliko več podatkov bo LHC še veliko povedal.
Kljub temu, da bo LHC deloval še nadaljnjih 20 let, je povsem smiselno tudi vprašati: "Kaj sledi?" Fiziki delcev razmišljajo o gradnji nadaljevalnega pospeševalnika delcev, ki bi nadomestil LHC. V skladu s tradicijo LHC bi ena možnost trčila grede protonov skupaj z motečimi energijami - 100 trilijonov elektronov voltov (TeV), kar je veliko večje od največje zmogljivosti LHC 14 TeV. Toda za dosego teh energij bo potrebno dve stvari: Najprej bi morali zgraditi magnete, ki so dvakrat močnejši od tistih, ki potiskajo delce okoli LHC. To se zdi zahtevno, vendar dosegljivo. Drugič, potrebovali bomo še en predor, podoben LHC-ju, toda precej več kot trikrat večji, z obodom balinarskega parka 61 kilometrov (približno 100 kilometrov), približno štirikrat večji od LHC-ja.
Toda kje bo zgrajen ta velik predor in kako bo v resnici videti? Kateri prameni bodo trčili in s kakšno energijo? To so dobra vprašanja. Nismo dovolj daleč v procesu načrtovanja in odločanja, da bi dobili odgovore, vendar obstajata dve zelo veliki in dokončani skupini fizikov, ki razmišljajo o težavah, in vsaka je ustvarila predlog za nov pospeševalnik. Eden od predlogov, ki jih v veliki meri vodijo evropske raziskovalne skupine, si zamisli, da bi zgradil velik dodatni pospeševalnik, ki se najverjetneje nahaja v laboratoriju CERN, tik pred Ženevo.
Po eni ideji bi objekt tam trčil snop elektronov in antimaterijskih elektronov. Zaradi razlik med pospeševanjem protonov v primerjavi z elektroni - elektronski žarek izgubi več energije okoli krožne strukture kot protonski žarek - bi ta žarek uporabljal 61 kilometrov dolg predor, vendar bi deloval z manjšo energijo, kot če bi bil protonov. Drugi predlog bi uporabil isti 61-kilometrski pospeševalnik za trčenje žarkov protonov. Skromnejši predlog bi ponovno uporabil sedanji predor LHC, vendar z močnejšimi magneti. Ta možnost bi samo podvojila energijo trčenja nad tisto, kar lahko zdaj postane LHC, vendar je to manj draga alternativa. Drugi predlog, ki ga v veliki meri zagovarjajo kitajski raziskovalci, predstavlja popolnoma nov objekt, predvidoma zgrajen na Kitajskem. Ta pospeševalnik bi bil tudi približno 61 kilometrov naokoli in bi trčil elektrone in antimaterije skupaj, preden bi se okrog leta 2040 preklopil na trke protonov.
Ta dva potencialna projekta sta še v fazi pogovorov. Sčasoma bodo morali znanstveniki, ki bodo podali te predloge, najti vlado ali skupino vlad, ki bo pripravljena sprejeti predlog zakona. Toda preden se to lahko zgodi, morajo znanstveniki določiti zmogljivosti in tehnologije, potrebne za omogočanje teh novih zmogljivosti. Obe skupini sta nedavno izdali obsežno in temeljito dokumentacijo o svojih modelih. To ni dovolj za izgradnjo predlaganih zmogljivosti, vendar je dovolj dobro, da primerjate predvidene zmogljivosti prihodnjih laboratorijev in začnete sestavljati zanesljive napovedi stroškov.
Preiskovanje meja znanja je težko prizadevanje in od prvih sanj o gradnji objekta takega obsega, od operacij do zaustavitve objekta, lahko traja veliko desetletij. Ko obeležujemo 10-letnico prvega žarka v LHC, je vredno pregledati, kaj je objekt dosegel in kaj bo prinesla prihodnost. Zdi se mi, kot da bodo za prihodnjo generacijo znanstvenikov, ki jih bodo preučevali, zanimivi podatki. In morda, le morda, bomo izvedeli še nekaj zanimivih naravnih skrivnosti.
Don Lincoln je raziskovalec fizike pri Fermilab. Je avtor knjige "Veliki hadronski trkalnik: izjemna zgodba o Higgsovem bosonu in drugih stvareh, ki bodo raznesle vaš um"(Johns Hopkins University Press, 2014), ustvaril pa je vrsto naravoslovnega izobraževanja videoposnetki. Sledi mu na Facebooku. Mnenja, izražena v tem komentarju, so njegova.
Don Lincoln je prispeval ta članek k Žive znanosti Glasovi strokovnjakov: Op-Ed & Vpogledi.
