Ако физиците на частици си проправят път, новите ускорители могат един ден да разгледат най-любопитната субатомна частица във физиката, бозона на Хигс. Шест години след откриването на тази частица на Големия адронов колайдер, физиците планират огромни нови машини, които ще се простират на десетки километри в Европа, Япония или Китай.
Нови сблъсъци: какви ще бъдат
Откриването на тази субатомна частица, която разкрива произхода на масата, доведе до завършването на Стандартния модел, всеобхватната теория на физиката на частиците. И също така се превърна в забележително постижение за LHC, който в момента е най-големият ускорител в света - в края на краищата, той беше създаден, за да търси бозона на Хигс, макар и не само.
Сега физиците искат да се задълбочат по-дълбоко в мистериите на бозона на Хигс с надеждата, че това ще бъде ключът към решаването на дългогодишните проблеми на физиката на частиците. „Хигс е специална частица“, казва физикът Ифанг Ванг, директор на Института за физика на висока енергия в Пекин. "Вярваме, че Хигс е прозорец към бъдещето."
Големият адронен сблъсък, известен още като LHC, състоящ се от 27-километров пръстен, вътре в който протоните се ускоряват до почти скоростта на светлината и се сблъскват милиарди пъти в секунда, почти достигна своята граница. Той се справи отлично с намирането на Хигс, но той не е подходящ за подробни изследвания.
Следователно физиците на частици изискват нов сблъсък на частици, специално проектиран за изстрелване на купчини Хигсови бозони. За тези мощни нови машини са предложени няколко дизайна и учените се надяват, че тези фабрики на Хигс биха могли да помогнат за намирането на решения за очевидните слабости на Стандартния модел.
Промоционално видео:
„Стандартният модел не е цялостна теория на Вселената“, казва физикът на експериментални частици Галина Абрамович от университета в Тел Авив. Например, тази теория не обяснява тъмната материя, неидентифицирано вещество, чиято маса е необходима за отчитане на космически наблюдения като движението на звезди в галактики. Освен това не успява да обясни защо Вселената е направена от материя, докато антиматерията е изключително рядка.
Привържениците на новите колиери твърдят, че внимателното проучване на бозона на Хигс може да насочи учените по пътя към разрешаването на тези мистерии. Но сред учените желанието за нови скъпи ускорители не се поддържа от всички. Освен това не е ясно какви точно могат да бъдат намерени такива машини.
Следващ ред
Първият на линия е международният линеен сблъсък в северна Япония. За разлика от LHC, в който частиците се движат в пръстен, MLC ускорява две лъчи от частици по права линия, директно една върху друга, по цялата дължина на 20 километра. И вместо да натиска протони заедно, той изтласква електрони и техните антиматериални партньори, позитрони.
През декември 2018 г. обаче интердисциплинарен комитет на Научния съвет на Япония се противопостави на проекта, призовавайки правителството да внимава с подкрепата си и да се чуди дали очакваните научни постижения оправдават цената на колиера, която в момента се оценява на 5 милиарда долара.
Привържениците твърдят, че планът на MLK да се сблъска електрони и позитрони, а не протони, има няколко основни предимства. Електроните и позитроните са елементарни частици, тоест нямат по-малки компоненти, а протоните са съставени от по-малки частици - кварки. Това означава, че протонните сблъсъци ще бъдат по-хаотични и ще създадат по-безполезни остатъци от частици, които ще трябва да бъдат пресети.
Освен това при сблъсъци с протони само част от енергията на всеки протон попада в сблъсъка, докато при електрон-позитронните сблъсъци частиците прехвърлят общата енергия в сблъсъка. Това означава, че учените могат да настроят енергията на сблъсъка, за да увеличат максимално броя на произведените бозони на Хигс. В същото време MLK ще изисква само 250 милиарда електронни волта, за да произведе бозони на Хигс, в сравнение с 13 трилиона електронни волта в LHC.
В MLK "качеството на данните ще бъде много по-добро", казва физикът на частици Лин Еванс от CERN в Женева. Един от всеки 100 сблъсъка в MLK ще доведе до бозона на Хигс, докато при LHC това се случва веднъж на всеки 10 милиарда сблъсъци.
Очаква се японското правителство да вземе решение за колиера през март. Еванс казва, че ако MLK бъде одобрен, ще са необходими около 12 години. По-късно ускорителят също може да бъде надстроен, за да увеличи енергията, която може да достигне.
CERN има планове за изграждане на подобна машина, Compact Linear Collider (CLIC). Той също ще сблъска електрони и позитрони, но при по-високи енергии от MLK. Енергията му ще започне от 380 милиарда електронни волта и ще се повиши до 3 трилиона електронни волта в серия от актуализации. За да се достигнат тези по-високи енергии, трябва да се разработи нова технология за ускоряване на частиците, което означава, че CLIC няма да се появи пред MLK, казва Еванс, който ръководи научно-изследователското сътрудничество по двата проекта.
Тичане в кръг
Останалите два планирани коли, в Китай и Европа, ще бъдат кръгли като LHC, но много по-големи: всеки с обиколка 100 километра. Това е достатъчно голям кръг, за да обгради страната Лихтенщайн два пъти. Това на практика е дължината на Околовръстния път на Москва.
Кръговият електронен-позитронен сблъсък, чиято строителна площадка в Китай все още не е определена, ще се сблъска с 240 милиарда електрон-волтови електрони и позитрони, според концептуален план, официално представен през ноември и спонсориран от Уанг и Института за висока енергийна физика. Този ускорител може по-късно да бъде модернизиран, за да се сблъска с високоенергийни протони. Учените твърдят, че биха могли да започнат да строят тази машина на стойност 5-6 милиарда долара до 2022 г. и да я завършат до 2030 г.
А в CERN предложеният бъдещ кръгъл коллайдер, BKK, също ще влезе в действие на етапи, сблъсквайки електрони с позитрони и по-късно протони. Крайната цел ще бъде постигането на протонни сблъсъци при 100 трилиона електронни волта, повече от седем пъти по-голяма от енергията на LHC.
Междувременно учените са изключили LHC за две години, усъвършенствайки машината, за да работи на по-висока енергия. През 2026 г. LHC с висока светимост ще започне да работи, което ще увеличи честотата на протонните сблъсъци поне пет пъти.
Портрет на Хигс
Когато LHC е построен, учените бяха достатъчно уверени да намерят бозона на Хигс с него. Но с новите машини не е ясно какви нови частици да търсите. Те просто ще катализират колко силно Хигс взаимодейства с други известни частици.
Измерванията на Хигс взаимодействията могат да потвърдят очакванията на Стандартния модел. Но ако наблюденията се различават от очакванията, несъответствието може индиректно да показва наличието на нещо ново, като например частиците, съставляващи тъмна материя.
Някои учени се надяват, че ще се случи нещо неочаквано. Защото самият бозон на Хигс е мистерия: тези частици се кондензират в течност, наподобяваща меласа. Защо? Нямаме представа, казва теоретикът на частиците Майкъл Пескин от университета в Станфорд. Тази течност прониква във Вселената, забавя частиците и им придава тегло.
Друга загадка е, че масата на Хигс е с милион милиарда по-малко от очакваното. Тази странност може да показва, че има и други частици. Преди това учените смятаха, че могат да отговорят на проблема на Хигс с помощта на теория за свръхсиметрия - съгласна, на която всяка частица има по-тежък партньор. Но това не се случи, защото LHC не намери следи от свръхсиметрични частици.
Бъдещите колиери все още могат да намерят доказателства за свръхсиметрия или по друг начин да намекват за нови частици, но този път учените няма да дават обещания. Сега те са по-заети с разработването на приоритети и аргументи в полза на нови коли и други експерименти във физиката на частиците. Едно е сигурно: предложените ускорители ще изследват непозната територия с непредвидими резултати.
Иля Кел