Еще в 2008 году пучок протонов впервые пронесся вокруг Большого адронного коллайдера (LHC), самого мощного в мире ускорителя частиц. Теперь, десятилетие спустя, пришло время подвести итоги того, что мы узнали благодаря этому средству и что ждет впереди.
Этот учет включает как будущие исследования, которые может проводить LHC, так и возможные новые объекты, которые могут сталкиваться с частицами при энергиях, намного превышающих то, что может достичь LHC. Было предложено две или три возможных замены LHC. Итак, давайте посмотрим, где мы находимся и куда мы пришли за последнее десятилетие.
История LHC является одновременно волнующей и бурной, с событиями, варьирующимися от катастрофического ущерба для огромных магнитов инструмента в первые дни работы до фениксоподобного подъема после этой трагедии, сопровождаемого твердыми и захватывающими открытиями, включая открытие бозон Хиггса. Эта находка принесла Петру Хиггсу и Франсуа Энглерту Нобелевскую премию, поскольку они предсказали частицу более полувека назад. Для мира необычно стремительно следить за новостями физики элементарных частиц, но объявление об открытии Хиггса привело к выпуску новостей по всему миру.
В поисках новой физики
Физики были также на краю своих мест, ожидая, что, как они надеялись, будут неожиданные открытия. В течение почти полувека ученые разработали современное теоретическое понимание поведения субатомного вещества. Это понимание называется Стандартной моделью физики элементарных частиц.
Модель объясняет наблюдаемое поведение молекул и атомов обычной материи и даже самых маленьких известных строительных блоков из когда-либо наблюдаемых. Эти частицы называются кварками и лептонами, причем кварки находятся внутри протонов и нейтронов, составляющих ядро атома, а электроны - наиболее знакомый лептон. Стандартная модель также объясняет поведение всех известных сил, кроме силы тяжести. Это действительно выдающееся научное достижение.
Тем не менее, Стандартная Модель не объясняет все вещи в теоретической физике. Это не объясняет, почему кварки и лептоны, кажется, существуют в трех различных, но почти идентичных конфигурациях, называемых поколениями. (Почему три? Почему не два? Или четыре? Или один? Или 20?) Эта модель не объясняет, почему наша вселенная полностью состоит из материи, когда простейшее понимание теории относительности Альберта Эйнштейна говорит, что вселенная должна также содержать равное количество антивещества.
Стандартная модель не объясняет, почему исследования космоса предполагают, что обычная материя атомов составляет всего 5 процентов материи и энергии вселенной. Считается, что остаток состоит из темной материи и темной энергии. Темная материя - это форма материи, которая испытывает только гравитацию и не обладает никакими другими фундаментальными силами, в то время как темная энергия является формой отталкивающей гравитации, которая пронизывает космос.
До первых операций LHC такие физики, как я, надеялись, что атомный сокрушитель поможет нам ответить на эти удивительные вопросы. Наиболее часто цитируемая теория кандидатов для объяснения этих загадок называлась суперсимметрией. Это говорит о том, что все известные субатомные частицы имеют «суперпартнерные» частицы. Это, в свою очередь, может дать объяснение темной материи и ответить на некоторые другие вопросы. Однако физики не наблюдали никакой суперсимметрии. Более того, данные LHC исключают простейшие теории, включающие суперсимметрию. Итак, что же сделал LHC?
LHC сделал много
Ну, кроме всего этого бозона Хиггса, LHC предоставил данные четырем крупным экспериментальным исследованиям, в результате чего было получено более 2000 научных работ. Внутри LHC частицы врезаются друг в друга с энергиями, в 6,5 раз превышающими те, что были достигнуты с помощью Fermilab Tevatron, которая в течение четверти века удерживала звание самого мощного в мире ускорителя частиц, пока LHC не взяла эту корону.
Эти тесты Стандартной Модели были очень важны. Любое из этих измерений могло не соответствовать прогнозам, что привело бы к открытию. Однако оказывается, что Стандартная Модель является очень хорошей теорией, и она сделала такие же точные предсказания для энергий столкновения LHC, как и для уровней энергии в более раннем Tevatron.
Так это проблема? В очень реальном смысле ответ - нет. В конце концов, наука так же важна для проверки и отклонения неправильных новых идей, как и для проверки правильных.
С другой стороны, нельзя отрицать, что ученые были бы намного более рады найти явления, которые ранее не были предсказаны. Открытия такого типа стимулируют человеческие знания, кульминацией которых является переписывание учебников.
История LHC еще не закончена
Ну что теперь? LHC закончил рассказывать нам свою историю? Едва. Действительно, исследователи с нетерпением ждут улучшения оборудования, которое поможет им изучать вопросы, которые они не могут решить, используя современные технологии. LHC остановился в начале декабря 2018 года на два года на реконструкцию и модернизацию. Когда ускоритель возобновит работу весной 2021 года, он вернется с небольшим увеличением энергии, но удвоит число столкновений в секунду. Принимая во внимание будущие запланированные обновления, ученые LHC к настоящему времени зарегистрировали только 3 процента ожидаемых данных. Несмотря на то, что для изучения всех результатов потребуется много лет, в настоящее время планируется записать примерно в 30 раз больше данных, чем было получено до настоящего времени. С этим гораздо большим количеством данных, LHC еще многое может рассказать.
Тем не менее, хотя LHC будет работать еще, вероятно, еще 20 лет, вполне разумно также спросить: «Что дальше?» Физики элементарных частиц думают о создании дополнительного ускорителя частиц для замены LHC. Следуя традиции LHC, одна из возможностей будет сталкивать пучки протонов вместе при ошеломляющих энергиях - 100 триллионов электрон-вольт (ТэВ), что намного больше, чем максимальная мощность LHC в 14 ТэВ. Но для реализации этих энергий потребуются две вещи: во-первых, нам нужно создать магниты, которые в два раза мощнее магнитов, которые толкают частицы вокруг LHC. Это считается сложным, но достижимым. Во-вторых, нам понадобится еще один туннель, очень похожий на LHC, но примерно в три раза больше, с окружностью примерно 61 миль (100 километров), что примерно в четыре раза больше, чем у LHC.
Но где будет построен этот большой туннель и как он будет выглядеть на самом деле? Какие лучи будут сталкиваться и при какой энергии? Ну, это хорошие вопросы. Мы не достаточно далеко продвинулись в процессе проектирования и принятия решений, чтобы получить ответы, но есть две очень большие и опытные группы физиков, которые думают о проблемах, и каждая из них подготовила предложение для нового ускорителя. Одно из предложений, в основном разработанное европейскими исследовательскими группами, предполагает создание большого дополнительного ускорителя, скорее всего, расположенного в лаборатории CERN, недалеко от Женевы.
По одной из идей, объект мог бы столкнуться с пучком электронов и электронов антивещества. Из-за различий между ускоряющими протонами по сравнению с электронами - электронный луч теряет больше энергии вокруг круговой структуры, чем протонный луч - этот луч будет использовать туннель длиной 61 милю, но будет работать при более низкой энергии, чем если бы это были протоны. Другое предложение будет использовать тот же ускоритель длиной в 61 милю для столкновения пучков протонов. Более скромное предложение будет использовать текущий туннель LHC, но с более мощными магнитами. Эта опция только удвоит энергию столкновения по сравнению с тем, что может сделать LHC сейчас, но это менее дорогая альтернатива. Другое предложение, в значительной степени поддержанное китайскими исследователями, предполагает создание совершенно нового объекта, предположительно построенного в Китае. Этот ускоритель также будет около 61 мили вокруг, и он будет сталкивать электроны и электроны антивещества, прежде чем переключиться на протон-протонные столкновения примерно в 2040 году.
Эти два потенциальных проекта все еще находятся в стадии обсуждения. В конце концов, ученые, делающие эти предложения, должны будут найти правительство или группу правительств, готовых оплатить счет. Но прежде чем это произойдет, ученым необходимо определить возможности и технологии, необходимые для создания этих новых объектов. Обе группы недавно выпустили обширную и полную документацию о своих проектах. Этого недостаточно для создания предлагаемых объектов, но достаточно для того, чтобы сравнить прогнозируемые показатели будущих лабораторий и начать составлять надежные прогнозы затрат.
Исследование границы знаний - трудная задача, и она может занять много десятилетий от первых мечтаний о строительстве объекта такого масштаба, от операций до его закрытия. Когда мы отмечаем 10-летний юбилей первого луча на LHC, стоит подвести итоги того, что объект был достигнут и что принесет будущее. Мне кажется, что у следующего поколения ученых будут интересные данные для изучения. И, может быть, просто возможно, мы узнаем еще несколько удивительных тайн природы.
Дон Линкольн - исследователь физики в Fermilab, Он является авторомБольшой адронный коллайдер: экстраординарная история бозона Хиггса и других вещей, которые поразят ваш разум"(Johns Hopkins University Press, 2014), и он выпускает серию научных исследований видео, Следуй за ним в Фейсбуке, Мнения, высказанные в этом комментарии, принадлежат ему.
Дон Линкольн внес эту статью в Live Science's Голоса экспертов: Op-Ed & Insights.
