Hvis partikkelfysikere kommer seg, kan nye akseleratorer en dag granske den mest nysgjerrige subatomære partikkelen i fysikken, Higgs boson. Seks år etter oppdagelsen av denne partikkelen hos Large Hadron Collider planlegger fysikere enorme nye maskiner som vil strekke seg i titalls kilometer i Europa, Japan eller Kina.
Nye kjørere: hva de blir
Oppdagelsen av denne subatomære partikkelen, som avslører massens opprinnelse, førte til fullføringen av Standard Model, den overordnede teorien om partikkelfysikk. Og det ble også en landemerkeprestasjon for LHC, som for tiden er verdens største gasspedaler - tross alt, den ble bygget for å søke etter Higgs-boson, men ikke bare.
Nå ønsker fysikere å dykke dypere inn i mysteriene ved Higgs-boson i håp om at det vil være nøkkelen til å løse de langvarige problemene med partikkelfysikk. "Higgs er en spesiell partikkel," sier fysiker Yifang Wang, direktør for Institute for High Energy Physics i Beijing. "Vi tror Higgs er et vindu for fremtiden."
The Large Hadron Collider, også kjent som LHC, bestående av en ring som er 27 kilometer lang, inne i hvilken protoner akselererer til nesten lysets hastighet og kolliderer milliarder ganger per sekund, har nesten nådd sin grense. Han gjorde en utmerket jobb med å finne Higgs, men han er ikke egnet for detaljert forskning.
Derfor krever partikkelfysikere en ny partikkelkollider, spesialdesignet for å lansere hauger med Higgs-bosoner. Flere design er blitt foreslått for disse kraftige nye maskinene, og forskere håper disse Higgs-fabrikkene kan være med på å finne løsninger på Standardmodellens blendende svakheter.
Salgsfremmende video:
"Standardmodellen er ikke en fullstendig teori om universet," sier eksperimentell partikkelfysiker Galina Abramovich fra Tel Aviv University. For eksempel forklarer ikke denne teorien mørk materie, et uidentifisert stoff hvis masse er nødvendig for å gjøre rede for kosmiske observasjoner som bevegelse av stjerner i galakser. Det unnlater også å forklare hvorfor universet er laget av materie, mens antimateria er ekstremt sjelden.
Talsmenn for de nye kolliderne hevder at nøye studier av Higgs-bosonen kunne peke forskere på vei til å løse disse mysteriene. Men blant forskere støttes ikke ønsket om nye dyre akseleratorer. Dessuten er det ikke klart hva nøyaktig slike maskiner kan bli funnet.
Neste i kø
Den første i rekken er International Linear Collider i Nord-Japan. I motsetning til LHC, der partikler beveger seg i en ring, akselererer MLC to partikkelbjelker i en rett linje, direkte oppå hverandre, langs hele 20 kilometer-lengden. Og i stedet for å skyve protoner sammen, skyver det elektroner og deres antimaterielle partnere, positroner.
I desember 2018 motsatte imidlertid et tverrfaglig utvalg av det Japanske vitenskapelige rådet seg prosjektet, og oppfordret regjeringen til å være forsiktig med sin støtte og lure på om de forventede vitenskapelige fremskrittene rettferdiggjorde kostnadene for collideren, som i dag er estimert til 5 milliarder dollar.
Talsmenn hevder at MLKs plan for å kollidere elektroner og positroner, i stedet for protoner, har flere store fordeler. Elektroner og positroner er elementære partikler, det vil si at de ikke har mindre komponenter, og protoner er sammensatt av mindre partikler - kvarker. Dette betyr at protonkollisjoner vil være mer kaotiske og skape mer ubrukelig partikkelrester som må siktes gjennom.
I tillegg, i kollisjoner med protoner, faller bare en del av energien til hvert proton faktisk inn i kollisjonen, mens i elektron-positronkolliderere overfører partikler den totale energien til kollisjonen. Dette betyr at forskere kan stille inn kollisjonenergien for å maksimere antall produserte Higgs-bosoner. Samtidig ville MLK bare kreve 250 milliarder elektron volt for å produsere Higgs-bosoner, sammenlignet med 13 billioner elektron volt på LHC.
Hos MLK vil "kvaliteten på dataene være mye bedre," sier partikkelfysiker Lyn Evans fra CERN i Genève. Én av hver 100 kollisjoner på MLK vil produsere Higgs boson, mens på LHC skjer dette en gang hver 10 milliarder kollisjoner.
Den japanske regjeringen forventes å ta en beslutning om collideren i mars. Evans sier at hvis MLK blir godkjent, vil det ta omtrent 12 år å bygge. Senere kan gasspedalen også oppgraderes for å øke energien den kan nå.
CERN har planer om å bygge en lignende maskin, Compact Linear Collider (CLIC). Det vil også kollidere elektroner og positroner, men med høyere energi enn MLK. Energien vil starte på 380 milliarder elektron volt og vil stige til 3 billioner elektron volt i en serie oppdateringer. For å nå disse høyere energiene, må ny teknologi for partikkelakselerasjon utvikles, noe som betyr at CLIC ikke vil vises før MLK, sier Evans, som leder forskningssamarbeidet på begge prosjektene.
Løper i en sirkel
De to andre planlagte kolliderne, i Kina og Europa, vil være like runde som LHC, men mye større: hver med en omkrets på 100 kilometer. Dette er en stor nok sirkel til å omkretse landet Liechtenstein to ganger. Dette er praktisk talt lengden på Moskva-ringveien.
Den sirkulære elektron-positron-kollideren, hvis byggeplass ennå ikke er bestemt i Kina, vil kollidere 240 milliarder elektron-volt elektroner og positroner, i henhold til en konseptplan som offisielt ble avduket i november og sponset av Wang og Institute for High Energy Physics. Denne gasspedalen kan senere oppgraderes for å kollidere protoner med høy energi. Forskere sier at de kunne begynne å bygge denne maskinen på 5-6 milliarder dollar innen 2022 og fullføre den innen 2030.
Og på CERN vil den foreslåtte Future Circular Collider, BKK, også komme i drift i trinn, kollidere elektroner med positroner og senere protoner. Det endelige målet vil være å oppnå protonkollisjoner ved 100 billioner elektron volt, mer enn syv ganger energien fra LHC.
I mellomtiden har forskere stengt LHC i to år og oppgradert maskinen til å kjøre på høyere energi. I 2026 vil LHC med høy lysstyrke begynne å virke, noe som vil øke frekvensen av protonkollisjoner med minst fem ganger.
Higgs portrett
Da LHC ble bygget, var forskere trygge nok til å finne Higgs boson med seg. Men med nye maskiner er det ikke klart hvilke nye partikler du skal se etter. De vil ganske enkelt katalogisere hvor sterkt Higgs samhandler med andre kjente partikler.
Målinger av Higgs-interaksjoner kan bekrefte forventningene til standardmodellen. Men hvis observasjonene avviker fra forventningene, kan avviket indirekte indikere tilstedeværelsen av noe nytt, for eksempel partiklene som utgjør mørk materie.
Noen forskere håper at noe uventet vil skje. Fordi Higgs-bosonet selv er et mysterium: disse partiklene kondenserer til en melasse-lignende væske. Hvorfor? Vi aner ikke, sier partikkelteoretiker Michael Peskin fra Stanford University. Denne væsken gjennomsyrer universet, bremser ned partiklene og gir dem vekt.
Et annet mysterium er at Higgs-massen er en million milliarder mindre enn forventet. Denne oddigheten kan indikere at det er andre partikler. Forskere trodde tidligere de kunne svare på Higgs-problemet ved hjelp av supersymmetri-teori - en konsonant som hver partikkel har en tyngre partner. Men dette skjedde ikke, fordi LHC ikke fant spor av supersymmetriske partikler.
Fremtidige kollidere kan fremdeles finne bevis på supersymmetri eller på annen måte antyde nye partikler, men denne gangen vil ikke forskere komme med løfter. De er nå mer opptatt med å utvikle prioriteringer og lage argumenter til fordel for nye kollidere og andre eksperimenter innen partikkelfysikk. En ting er sikkert: de foreslåtte akseleratorene vil utforske ukjent territorium med uforutsigbare resultater.
Ilya Khel
