Новият проект на CERN е да изгради механизъм, който ще бъде почти четири пъти по-голям от съществуващото най-голямо устройство. Но за какво точно е?
Големият адронов колайдер (LHC) е може би едно от най-мистериозните устройства в света. Той седи в 27-километров кръгъл тунел на границата между Франция и Швейцария, а основната му задача е да се сблъска с най-малките частици на Вселената.
Този механизъм стана известен в целия свят през 2012 г., когато CERN (Европейска организация за ядрени изследвания) обяви откриването на бозона на Хигс. Теорията за съществуването на тази елементарна частица се появи преди много десетилетия, математическите изчисления зад стандартния модел на елементарни частици предположиха, че тя съществува, но никой не може да я поправи преди експеримента в LHC.
И сега CERN говори за планове за бъдещето. Експерименти с помощта на LHC се провеждат от 2009 г. с прекъсвания за актуализиране на механизма. Сега точно такава почивка и LHC ще стартира отново през 2021 г., след което ще работи още няколко десетилетия.
Но съществуващите проекти са толкова амбициозни, че CERN обсъжда предложение за изграждане на приемник на LHC от няколко години. И сега служителите на организацията са готови да разкажат за своето виждане за бъдещето.
Сега наречен Future Circular Collider (FCC), плановете за изграждането му бяха обявени през януари 2019 г. BCC е много по-голям и по-мощен от сегашния ускорител. Въпреки че това е просто план, той все още не е приет. Ако планът бъде реализиран, експериментите в BCC ще започнат през 2040-те.
Според CERN общата стойност на строителството ще възлиза на малко над 200 милиарда крони (над 1,5 трилиона рубли - приблизително превод). Страните членки на организацията ще финансират проекта за няколко десетилетия. Норвегия е една от 22 страни членки на ЦЕРН и ще осигури приблизително 240 милиона крони (над 1,8 милиарда рубли) през 2019 г.
Промоционално видео:
Но защо се нуждаем от нов ускорител на частици, какво учените се надяват да постигнат с него?
Дълъг тунел
LHC е положен в същия тунел като предишния ускорител на частици, точно там е поставено ново пълнене. Работата на предишното устройство беше ограничена през 2000 г.
Но за BCC ще бъде изграден напълно нов тунел с дължина 100 километра. Поради увеличената дължина на ускорителя на частиците, частиците ще се сблъскат с много повече сила.
„За сто години сблъсъкът на малки парчета материя с голяма сила е може би най-важният експериментален метод за изучаване на структурата и състава на материята“, казва Андерс Квелестад, физик на частиците в Imperial College London.
Всъщност планът на CERN изисква изграждането на няколко устройства в един и същ тунел, които ще бъдат разположени едно след друго. Първият механизъм ще се сблъска електрони и позитрони, и той може да се използва за по-точни измервания и изследвания, например, бозона на Хигс, за който не всичко е известно досега.
Също така ще бъде възможно да се открият квантови следи от напълно нови неизвестни частици, без да се правят директни наблюдения.
Нова физика?
В допълнение към други експерименти, включващи сблъсъци на електрони и ядра на оловни атоми, по-късно се планира да се изгради много мощен механизъм, чрез който протоните да се сблъскат с протони в тунела.
„Във физиката на частиците сблъсъкът на протона с протона прилича на чук, докато сблъсъкът на електрон с позитрон може да се сравни с малък геоложки чук. Първият дава повече власт, докато вторият е по-точен."
Мощността на самия лъч на частиците се измерва в тераелектронволта (TeV). LHC с дължина 27 километра може да се справи с 14 TeV, докато новият ускорител ще издържи мощност до 100 TeV.
По-високите енергии ви позволяват да „примамвате“по-масивни частици, които може би не са били наблюдавани преди, и е възможно резултатите от подобни експерименти да дадат представа за напълно нова физика, обяснява Квелестад.
Защото вселената все още е пълна с неща, които учените не разбират. Например, няма отговор на въпроса какво всъщност представляват тъмната енергия и тъмната материя, въпреки че те са централни понятия в нашето сегашно разбиране за Вселената.
Голям проблем има и в съвременната физика. Общата теория на относителността и квантовото поле, която описва елементарни частици, не съвпадат. В момента няма обяснение за самата гравитация, което се вписва в двата модела.
Независимо как гледате на това, нещо липсва в разбирането на Вселената. Предлагат се много обяснения, но изследователите се нуждаят от доказателство.
А физиците се надяваха, че настоящият ускорител на частици на LHC ще даде намек за нова физика. Това все още не се е случило, но LHC ще работи още много години.
„Вече знаем всичко за някои малки, но интересни несъответствия между теорията и практиката в съществуващите данни. Ето защо очаквам резултатите от следващия кръг на LHC да ни покажат дали тези несъответствия са следствие от „новата физика“или са просто статистически различия “, казва Квелестад.
Но има и някои съмнения относно плановете за изграждане на нови ускорители на частици.
Наистина ли ще направи нещо?
Германският физик Сабине Хосенфелдер е един от критиците на предложението на МКС. Тя написа книга за това как физиката е твърде загрижена за „красотата“на уравненията.
В колона в The New York Times тя критикува проекта, по-специално за факта, че CERN го предлага със същите обещания, дадени преди изграждането на LHC: да намери тъмна материя и да изясни произхода на Вселената.
Проблемът е, че такъв резултат не може да бъде гарантиран по никакъв начин, казва Хосенфелдер. Физиците бяха почти сигурни, че ще открият бозона на Хигс с помощта на LHC, но сега нямат такива обещаващи цели.
Суперсиметрията е теория, която предсказва съществуването на няколко различни частици, които биха могли да запълнят празнините в Стандартния модел, но тези частици все още не са засегнати в експериментите.
Хосенфелдер твърди, че физиката засега трябва да изследва други възможности и е по-добре да изчакате с изграждането на голям ускорител, като се съсредоточава върху въпроса защо предполагаемите частици не се появяват в LHC.
Ако се интересувате, можете да прочетете повече за критиката към проекта в нейния блог. Тя казва още, че ако с помощта на LHC през следващите години наистина е възможно да се намери нещо, тогава картината може да се промени.
Основни изследвания
„След откриването на бозона на Хигс вече нямаме никакви теоретични„ гаранции “, че ще открием нови частици в експериментите на следващото поколение, - казва Андерс Квелестад. - Но това наистина означава, че физиката на частиците се връща до доста нормална за фундаментална състояние на изследване - когато никой не знае какво може да се разкрие в следващия експеримент."
"Има няколко примера за открития в историята на физиката, които никой не е предвидил."
Квелестад смята, че дори физиците да не са съгласни какво да очакват от тези експерименти, това не трябва да е аргумент срещу провеждането на големи нови експерименти.
Благодарение на новите ускорители на частици учените ще могат да изследват по-добре и да измерват вече известни частици, каза Квелестад.
Трябва да изградите по-голям механизъм, но не сега?
„Няма съмнение, че бъдещият път на изследванията на физиката на частиците се осъществява чрез по-голям механизъм“, казва Бьорн Самсет, изследовател в Центъра за международни изследвания на околната среда и климата в Цицерон. Той е физик на елементарните частици, като обучава и работи в ЦЕРН.
"Единственият въпрос е дали е време да го изградим или за сега е по-добре да се съсредоточим върху други неща."
Той също така смята, че физиката вероятно ще има по-голяма полза, ако най-напред се оценят по-подробно други проекти, което би могло да помогне по-добре да се разбере какво точно може да намери новото устройство.
Самсет посочва тъмна материя като пример.
"Мнозина се надяваха, че LHC ще има достатъчно енергия, за да създаде частиците, от които може да бъде направена тъмната материя."
Бяха представени много теории, а някои бяха опровергани, но много от тях все още трябва да бъдат проверени. Въпросът е дали може да не е по-добре да се съсредоточите върху други методи, като например специални сензори, с които можете директно да улавяте тъмна материя.
Ако BCC бъде изграден, това няма да се случи скоро, но Самсет подчертава, че е много важно да се обсъдят такива проекти предварително.
„Опасността от чакане е загубата на опит. Техниците в ЦЕРН са истински магьосници, те карат ускорителя да прави невероятни неща. Ако сега не започнем да планираме следващия проект, голяма част от този опит може да бъде загубен."
В същото време той вярва, че опитът може да бъде прехвърлен в рамките на други проекти. Но той е уверен, че все още ще бъдат изградени огромни ускорители.
"Такъв механизъм трябва да бъде изграден и той ще бъде изграден, но може би още е рано?"
Ласе Бирнстад