În 2008, un fascicul de protoni s-a închis pentru prima dată în jurul Marii Coliziuni cu Hadron (LHC), cel mai puternic accelerator de particule din lume. Acum, un deceniu mai târziu, este timpul să facem un bilanț asupra a ceea ce am învățat datorită acestei facilități și a ceea ce există.
Această contabilitate include atât cercetări viitoare pe care LHC le poate conduce, cât și posibile noi facilități care ar putea ciocni particule la energii mult peste ceea ce poate obține LHC. Au fost propuse două, sau poate trei, posibile înlocuitori pentru LHC. Deci, să trecem în revistă unde ne aflăm și unde am ajuns în ultimul deceniu.
Povestea LHC este atât de emoționantă, cât și de agitată, cu evenimente de la daune dezastruoase la magneții uriași ai instrumentului în primele zile de operații, la o ascensiune asemănătoare cu fenix din acea tragedie, urmată de descoperiri solide și interesante, inclusiv descoperirea bosonul Higgs. Această constatare a câștigat premiul Nobel pentru Peter Higgs și Francois Englert, așa cum au prezis particulele în urmă cu jumătate de secol. Este neobișnuit ca lumea să urmărească cu rapiditate știrile despre fizica particulelor, dar anunțul descoperirii lui Higgs a condus știrile de știri de pe tot globul.
Găsirea fizicii noi
Fizicienii se aflau și la marginea scaunelor, așteptând ceea ce sperau să fie descoperiri neașteptate. Timp de aproape jumătate de secol, oamenii de știință au lucrat înțelegerea teoretică actuală a comportamentului materiei subatomice. Această înțelegere este numită Modelul standard al fizicii particulelor.
Modelul explică comportamentul observat al moleculelor și atomilor materiei obișnuite și chiar al celor mai mici blocuri de construcții cunoscute vreodată. Aceste particule sunt numite quark și leptoni, cu quark-uri găsite în interiorul protonilor și neutronilor care cuprind nucleul atomului și cu electronii fiind cel mai cunoscut lepton. Modelul standard explică, de asemenea, comportamentul tuturor forțelor cunoscute, cu excepția gravitației. Este cu adevărat o realizare științifică extraordinară.
Cu toate acestea, modelul standard nu explică toate lucrurile din fizica teoretică. Nu explică de ce quarkurile și leptonele par să existe în trei configurații distincte, dar aproape identice, numite generații. (De ce trei? De ce nu două? Sau patru? Sau unul? Sau 20?) Acest model nu explică de ce universul nostru este făcut în întregime din materie, când cea mai simplă înțelegere a teoriei relativității lui Albert Einstein spune că universul ar trebui să conțină și o cantitate egală de antimaterie.
Modelul standard nu explică de ce studiile cosmosului sugerează că materia obișnuită a atomilor constituie doar 5% din materia și energia universului. Restul este considerat a fi format din materie întunecată și energie întunecată. Materia întunecată este o formă a materiei care nu experimentează decât gravitația și niciuna din celelalte forțe fundamentale, în timp ce energia întunecată este o formă de gravitație respingătoare care pătrunde în cosmos.
Înainte de primele operații ale LHC, fizicienii ca mine sperau că spargerea atomului ne va ajuta să răspundem la aceste întrebări nedumerite. Teoria candidatului cel mai des citată pentru a explica acele puzzle-uri a fost numită supersimetrie. Se sugerează că toate particulele subatomice cunoscute au particule de "superparten". Acestea, la rândul lor, ar putea oferi o explicație pentru materia întunecată și răspunde la alte întrebări. Cu toate acestea, fizicienii nu au observat nicio suprasimetrie. Mai mult, datele LHC au exclus cele mai simple teorii care includ supersimetria. Deci, ce a realizat LHC?
LHC a făcut multe
Ei bine, în afară de întregul lucru din bosonul Higgs, LHC a furnizat date la cele patru mari colaborări experimentale ale sale, rezultând în peste 2.000 de lucrări științifice. În interiorul LHC, particulele au fost distruse între ele cu energii de 6,5 ori mai mari decât cele obținute de Fermilab Tevatron, care a deținut titlul de cel mai puternic accelerator de particule din lume timp de un sfert de secol, până când LHC a luat coroana respectivă.
Aceste teste ale modelului standard au fost foarte importante. Oricare dintre aceste măsurători ar fi putut fi în dezacord cu predicțiile, ceea ce ar fi dus la o descoperire. Cu toate acestea, se dovedește că modelul standard este o teorie foarte bună și a făcut predicții exacte la energiile de coliziune LHC, așa cum s-a întâmplat pentru nivelurile de energie din Tevatron anterior.
Deci, este o problemă? Într-un sens foarte real, răspunsul este nu. La urma urmei, știința este la fel de mult despre testarea și respingerea ideilor noi greșite, cât despre validarea celor corecte.
Pe de altă parte, nu se poate nega faptul că oamenii de știință ar fi fost mult mai încântați să găsească fenomene care nu au fost prezise anterior. Descoperirile de acest tip determină cunoștințele umane, culminând cu rescrierea manualelor.
Povestea LHC nu s-a terminat
Si acum ce? A terminat LHC să ne spună povestea sa? Cu greu. Într-adevăr, cercetătorii așteaptă cu nerăbdare îmbunătățiri ale echipamentelor care îi vor ajuta să studieze întrebări pe care nu le pot adresa folosind tehnologia actuală. LHC s-a închis la începutul lunii decembrie 2018 pentru doi ani de recondiționări și modernizări. Când acceleratorul reia operațiunile în primăvara anului 2021, acesta va reveni cu o ușoară creștere a energiei, dar va dubla numărul de coliziuni pe secundă. Ținând cont de actualizările planificate viitoare, oamenii de știință ai LHC au înregistrat până în prezent doar 3% din datele preconizate. Deși va dura mulți ani pentru a analiza toate rezultatele, planul actual este să înregistreze de aproximativ 30 de ori mai multe date decât s-au obținut până în prezent. Având la dispoziție multe alte date, LHC mai are multe de povestit.
Totuși, în timp ce LHC va funcționa probabil încă 20 de ani, este perfect rezonabil să vă întrebați și „Ce urmează?” Fizicienii de particule se gândesc să construiască un accelerator de particule care să înlocuiască LHC. Urmând tradiția LHC, o posibilitate ar coliza fascicule de protoni împreună la energiile care păstrează mintea - 100 trilioane de electroni volți (TeV), care este mult mai mare decât capacitatea maximă a LHC de 14 TeV. Însă realizarea acestor energii va necesita două lucruri: în primul rând, va trebui să construim magneți de două ori mai puternici decât cei care împing particule în jurul LHC. Este considerat provocator, dar realizabil. În al doilea rând, vom avea nevoie de un alt tunel, la fel ca cel al LHC, dar de peste trei ori mai mare în jur, cu o circumferință a centrului de bilă de 61 de mile (100 de kilometri), de aproximativ patru ori mai mare decât cea a LHC.
Dar unde va fi construit acest mare tunel și cum va arăta cu adevărat? Ce grinzi se vor ciocni și la ce energie? Ei bine, acestea sunt întrebări bune. Nu suntem suficient de departe în procesul de proiectare și luare a deciziilor pentru a obține răspunsuri, dar există două grupuri foarte mari și realizate de fizicieni care se gândesc la probleme și fiecare a generat o propunere pentru un nou accelerator. Una dintre propuneri, condusă în mare parte de grupuri de cercetare europene, își imaginează construirea unui accelerator suplimentar mare, cel mai probabil situat la laboratorul CERN, chiar în afara Geneva.
Conform unei idei, o instalație de acolo ar ciocni un fascicul de electroni și electroni antimaterie. Din cauza diferențelor dintre protonii care accelerează în comparație cu electronii - un fascicul de electroni pierde mai multă energie în jurul structurii circulare decât un fascicul de protoni - acest fascicul ar folosi tunelul de 61 de mile, dar ar funcționa la o energie mai mică decât dacă ar fi protoni. O altă propunere ar folosi același accelerator lung de 61 de mile pentru a ciocni fascicule de protoni. O propunere mai modestă ar reutiliza actualul tunel LHC, dar cu magneți mai puternici. Această opțiune ar dubla doar energia de coliziune peste ceea ce poate face LHC acum, dar este o alternativă mai puțin costisitoare. O altă propunere, în mare parte susținută de cercetătorii chinezi, imaginează o instalație complet nouă, presupusă construită în China. Acest accelerator ar fi, de asemenea, în jur de 61 de mile în jurul valorii și s-ar ciocni împreună de electroni și electroni antimateri, înainte de a trece la coliziuni proton-proton în aproximativ 2040.
Aceste două proiecte potențiale sunt încă în etapele de discuție. În cele din urmă, oamenii de știință care fac aceste propuneri vor trebui să găsească un guvern sau un grup de guverne care doresc să depună factura. Dar înainte de a se întâmpla acest lucru, oamenii de știință trebuie să determine capacitățile și tehnologiile necesare pentru a face posibile aceste noi facilități. Ambele grupuri au lansat recent documentații extinse și amănunțite despre desenele lor. Acest lucru nu este suficient pentru a-și construi facilitățile propuse, dar este destul de bine să comparăm performanțele proiectate ale viitoarelor laboratoare și să începem să facem previziuni fiabile ale costurilor.
Cercetarea frontierei cunoașterii este un efort dificil și poate dura multe decenii de la primele vise de a construi o instalație de această amploare, prin operații până la închiderea instalației. Deoarece marcăm aniversarea de zece ani a primului fascicul din LHC, merită să facem un bilanț asupra realizării instalației și a ceea ce va aduce viitorul. Mi se pare că vor exista date interesante pentru următoarea generație de oameni de știință. Și poate, doar poate, vom învăța câteva mai multe despre secretele fascinante ale naturii.
Don Lincoln este cercetător în fizică la Fermilab. El este autorul „Colizorul de Hadroni Mari: Povestea extraordinară a bosonului Higgs și alte lucruri care îți vor suflă mintea"(Johns Hopkins University Press, 2014), și produce o serie de educație științifică Videoclipuri. Urmareste-l pe Facebook. Opiniile exprimate în acest comentariu sunt ale sale.
Don Lincoln a contribuit cu acest articol la Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
