Hvis partikelfysikere kommer deres vej, kan nye acceleratorer en dag undersøge den mest nysgerrige subatomære partikel i fysik, Higgs boson. Seks år efter opdagelsen af denne partikel hos Large Hadron Collider planlægger fysikere enorme nye maskiner, der strækker sig i flere titalls kilometer i Europa, Japan eller Kina.
Nye kollider: hvad de bliver
Opdagelsen af denne subatomære partikel, der afslører massens oprindelse, førte til færdiggørelsen af Standardmodellen, den overordnede teori om partikelfysik. Og det blev også en milepæl-præstation for LHC, der i øjeblikket er verdens største accelerator - når alt kommer til alt blev den bygget til at søge efter Higgs-boson, dog ikke kun.
Nu vil fysikere uddybe Higgs-bosonens mysterier i håb om, at det vil være nøglen til at løse de langvarige problemer inden for partikelfysik.”Higgs er en speciel partikel,” siger fysiker Yifang Wang, direktør for Institute for High Energy Physics i Beijing. "Vi mener, at Higgs er et vindue til fremtiden."
Den store Hadron Collider, også kendt som LHC, bestående af en 27 kilometer lang ring, hvori protoner accelererer til næsten lysets hastighed og kolliderer milliarder af gange i sekundet, har næsten nået sin grænse. Han gjorde et fremragende stykke arbejde med at finde Higgs, men han er ikke egnet til detaljeret forskning.
Derfor kræver partikelfysikere en ny partikelcollider, der er specielt designet til at lancere bunker af Higgs-bosoner. Flere design er blevet foreslået til disse kraftfulde nye maskiner, og videnskabsmænd håber, at disse Higgs-fabrikker kunne hjælpe med at finde løsninger på Standardmodells blændende svagheder.
Salgsfremmende video:
"Standardmodellen er ikke en komplet teori om universet," siger eksperimentel partikelfysiker Galina Abramovich fra Tel Aviv University. For eksempel forklarer denne teori ikke mørkt stof, et ikke-identificeret stof, hvis masse er nødvendig for at redegøre for kosmiske observationer, såsom bevægelse af stjerner i galakser. Det undlader også at forklare, hvorfor universet er lavet af stof, mens antimateria er ekstremt sjældent.
Tilhængere af de nye kolliderer hævder, at omhyggelig undersøgelse af Higgs-bosonen kunne pege forskere på vej til at løse disse mysterier. Men blandt forskere understøttes ønsket ikke om nye dyre acceleratorer. Derudover er det ikke klart, hvad nøjagtigt sådanne maskiner kunne findes.
Næste på linje
Den første i linjen er International Linear Collider i det nordlige Japan. I modsætning til LHC, hvor partikler bevæger sig i en ring, accelererer MLC to partikelstråler i en lige linje, direkte oven på hinanden, langs hele sin 20 kilometer lange længde. Og i stedet for at skubbe protoner sammen, skubber det elektroner og deres antimaterielle partnere, positroner.
I december 2018 modsatte imidlertid et tværfagligt udvalg fra det Japanske Videnskabelige Råd sig projektet og opfordrede regeringen til at være forsigtig med sin støtte og spekulere på, om de forventede videnskabelige fremskridt retfærdiggjorde omkostningen for collideren, som i øjeblikket anslås til 5 milliarder dollars.
Fortalere hævder, at MLK's plan om at kollidere elektroner og positroner snarere end protoner har flere store fordele. Elektroner og positroner er elementære partikler, dvs. de har ikke mindre komponenter, og protoner er sammensat af mindre partikler - kvarker. Dette betyder, at protonkollisioner vil være mere kaotiske og skabe mere ubrugelig partikelrester, som skal sigtes igennem.
Derudover kommer kun en del af hver protons energi ved kollisioner med protoner faktisk ind i kollisionen, hvorimod partikler i elektron-positronkolliderere overfører den samlede energi til kollisionen. Dette betyder, at forskere kan indstille kollisionsenergien for at maksimere antallet af producerede Higgs-bosoner. Samtidig kræver MLK kun 250 milliarder elektron volt for at producere Higgs-bosoner sammenlignet med 13 billioner elektron volt på LHC.
Hos MLK vil "kvaliteten af dataene være meget bedre," siger partikelfysiker Lyn Evans fra CERN i Genève. Én ud af hver 100 kollisioner på MLK producerer Higgs boson, mens på LHC sker dette en gang hver 10. milliard kollision.
Den japanske regering forventes at træffe en beslutning om collideren i marts. Evans siger, at hvis MLK godkendes, vil det tage omkring 12 år at bygge. Senere kan acceleratoren også opgraderes for at øge den energi, den kan nå.
CERN har planer om at bygge en lignende maskine, Compact Linear Collider (CLIC). Det vil også kollidere elektroner og positroner, men ved højere energier end MLK. Dens energi vil starte ved 380 milliarder elektron volt og vil stige til 3 billioner elektron volt i en række opdateringer. For at nå disse højere energier er det nødvendigt at udvikle ny partikelaccelerationsteknologi, hvilket betyder, at CLIC ikke vises foran MLK, siger Evans, der leder forskningssamarbejdet på begge projekter.
Kører i en cirkel
De to andre planlagte kollidere i Kina og Europa vil være lige så runde som LHC, men meget større: hver med en omkreds på 100 kilometer. Dette er en stor nok cirkel til at omkranse landet Liechtenstein to gange. Dette er praktisk talt længden af Moskva-ringvejen.
Den cirkulære elektron-positron collider, hvis byggeplads i Kina endnu ikke er bestemt, vil kollidere 240 milliarder elektron-volt elektroner og positroner, ifølge en konceptuel plan, der officielt blev afsløret i november og sponsoreret af Wang og Institute for High Energy Physics. Denne accelerator kunne senere opgraderes til at kollidere protoner med høj energi. Forskere siger, at de kunne begynde at bygge denne $ 5-6 milliarder maskine i 2022 og færdiggøre den i 2030.
Og på CERN vil den foreslåede Future Circular Collider, BKK, også komme i drift i faser, kollidere elektroner med positroner og senere protoner. Det ultimative mål vil være at opnå protonkollisioner ved 100 billioner elektron volt, mere end syv gange LHC-energien.
I mellemtiden har forskere lukket LHC i to år og opgraderet maskinen til at køre på højere energi. I 2026 vil LHC med en høj lysstyrke begynde at arbejde, hvilket vil øge hyppigheden af protonkollisioner med mindst fem gange.
Higgs portræt
Da LHC blev bygget, var forskerne sikre nok til at finde Higgs boson med det. Men med nye maskiner er det ikke klart, hvilke nye partikler man skal kigge efter. De vil simpelthen katalogisere, hvor stærkt Higgs interagerer med andre kendte partikler.
Målinger af Higgs-interaktioner kan bekræfte forventningerne til standardmodellen. Men hvis observationer adskiller sig fra forventningerne, kan uoverensstemmelsen indirekte indikere tilstedeværelsen af noget nyt, såsom de partikler, der udgør mørkt stof.
Nogle forskere håber, at der vil ske noget uventet. Fordi Higgs-bosonen i sig selv er et mysterium: disse partikler kondenseres til en melasse-lignende væske. Hvorfor? Vi har ingen idé, siger partikelteoretiker Michael Peskin fra Stanford University. Denne væske gennemsyrer universet, bremser partiklerne ned og giver dem vægt.
Et andet mysterium er, at Higgs-massen er en million milliarder mindre end forventet. Denne ulighed kan indikere, at der er andre partikler. Forskere troede tidligere, at de kunne besvare Higgs-problemet ved hjælp af supersymmetri-teori - en konsonant, hvor hver partikel har en tungere partner. Men dette skete ikke, fordi LHC ikke fandt spor af supersymmetriske partikler.
Fremtidige kollidere kan stadig finde tegn på supersymmetri eller på anden måde antyde nye partikler, men denne gang vil forskere ikke give løfter. De har nu mere travlt med at udvikle prioriteter og fremsætte argumenter til fordel for nye kollider og andre eksperimenter inden for partikelfysik. En ting er sikker: de foreslåede acceleratorer vil udforske ukendt territorium med uforudsigelige resultater.
Ilya Khel
