Akcelerátor Svetový stroj zajtrajška - spektrum vedy
Akcelerátor: Svetový stroj zajtrajška
Keď sa fyzici častíc zobudili 5. júla 2012, mnohým pravdepodobne zostala na mysli konkrétna otázka: Bol objav ťažkého bozónu ohlásený deň predtým, ako Higgsova častica bola predpovedaná Štandardným modelom fyziky? Alebo je to možno ešte niečo zložitejšie a zaujímavejšie, čo naznačuje širšiu teóriu? Odpovede na tieto otázky by mohli definovať budúcnosť časticovej fyziky.
Mnoho fyzikov dúfa - a očakáva - že Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) v Ženeve im poskytne niekoľko odpovedí v najbližších rokoch. Napriek tomu už zdokonaľujú svoju taktiku predaja, aby získali nástupnícky stroj pre LHC: továreň Higgs, ktorá by mohla vrhnúť svetlo na novú teóriu s podstatne presnejšími meraniami ako dnes.
„Vieme, že musí existovať nová fyzika presahujúca štandardný model,“ vysvetľuje Barry Barish z Kalifornského technologického inštitútu v Pasadene. To je zaručené, tvrdí on a niektorí kolegovia, prostredníctvom určitých javov, ktoré do súčasného štandardného modelu ťažko zapadajú, ako napríklad neviditeľný rámec temnej hmoty, ktorý má tvoriť štvrtinu celkovej hustoty vesmíru, alebo neutrína ľahko prechádzajú z jedného tvaru do druhého. môcť. Barish vedie globálne konzorcium vyvíjajúce International Linear Collider (ILC): jeden z kandidátov na ďalší svetový stroj. Rôzne plánovacie stretnutia, napríklad schôdzky od 10. do 12. septembra v Krakove alebo v júni 2013 v USA, sú určené na stanovenie priorít výskumu časticových fyzikov na niekoľko nasledujúcich rokov.
Plány sú jedna vec, realita druhá: v časoch hospodárskej krízy bude obrovskou výzvou získať dokonca nový finančný urýchľovač častíc, varuje Christopher Llewellyn-Smith z Oxfordskej univerzity a bývalý riaditeľ CERN. "Závisí to od toho, ktoré ďalšie častice sú detekované v LHC, či nový systém jednomyseľne podporuje celá komunita fyzikov a koľko to nakoniec stojí. Aj keď sú teoretické úvahy rovnako spoľahlivé ako v prípade LHC a náklady sú pokryté." je to ťažká práca, “vysvetľuje.
LHC je nažive
Jednou z ústredných otázok je, ako ďaleko môžu tímy LHC zájsť na meranie vlastností svojej novej častice. V každom prípade môžu fyzici, ktorých sa to týka, očakávať v najbližších desiatich rokoch oveľa viac dát a rozhodujúce vylepšenia ich prístroja. A už mohli oznamovať dobré správy: hmotnosť Higgsovho bozónu je okolo 125 gigaelektrónových voltov (GeV) na miernom konci hmotnostného rozsahu, ktorý odhadli teoretici. To má dva dôležité dôsledky, pretože to znamená, že aj relatívne skromný nový urýchľovač častíc by mohol hromadne vyrábať Higgsove častice. A vybavuje novú časticu širokou škálou možností rozpadu, aby vedci mohli ľahšie porovnávať jej interakcie s ostatnými súčasťami štandardného modelu.
Napríklad vedci chcú predovšetkým otestovať, ako Higgs interaguje s fermiónmi štandardného modelu, t. J. S elektrónmi, miónmi a kvarkami s kvantovým počtom spinov 0,5. Pravdepodobnosť interakcie s každou časticou by mala byť úmerná jej hmotnosti - v neposlednom rade preto, že podľa štandardného modelu práve táto interakcia s Higgsovou časticou vytvára skutočnú hmotnosť. Druhou prioritou je otestovať, či vlastná rotácia nových častíc zodpovedá hodnote 0 zo štandardného modelu. Fyzici LHC už môžu povedať, že nová častica je bozón, ktorý musí mať spin 0, 1, 2 alebo nejaké iné celé číslo. Už môžete vylúčiť rotáciu 1, pretože bozóny sa rozpadli na dvojice fotónov, ktoré sú tiež každý z bozónov, a teda rotujú 1 častice. Žiadny fyzik zatiaľ neprišiel s bláznivými teóriami, ktoré zahŕňajú bozóny so spinom väčším ako 2, hovorí Albert de Roeck z CERNu, ktorý koordinuje detektor kompaktných muónových solenoidov na LHC. Vedci sa preto teraz pokúsili určiť, či išlo o bozón s rotáciou 2 alebo s rotáciou 0, ako sa predpovedalo.
LHC objasní túto otázku, zdôrazňuje Rolf Heuer, generálny riaditeľ CERN. Stále však nie je jasné, ako ďaleko môže jeho stroj zájsť, aby prerušil spojenie medzi bozónom a inými časticami - najmä čo dáva Higgsovi jeho vlastnú hmotnosť. Doteraz boli zainteresovaní fyzici schopní dokázať iba to, že interakcie Higgsovho bozónu s inými časticami sú primerane konzistentné s predpoveďami štandardného modelu v rámci súčasných neistôt merania 30 až 40 percent. Podľa de Roecka by akcelerátor mal do konca roku 2012 znížiť túto hodnotu na zhruba 20 percent; v priebehu nasledujúcich 10 až 15 rokov je dokonca možné „veľmi málo percent“.
Ale práve z tohto dôvodu mnohí fyzici požadujú nový urýchľovač častíc. Skutočne záväzný test štandardného modelu - ktorý by odhalil aj tie najmenšie odchýlky a ukázal tak cestu k ešte lepšej teoretickej štruktúre - vyžaduje presnosť merania Higgsových interakcií s maximálnou odchýlkou jedného percenta. Optimálne by boli dokonca hodnoty až 0,1 percenta, ak by sa v nasledujúcich rokoch zlepšili aj teoretické predpovede. A to je úroveň, na ktorú LHC ťažko dosiahne.
Drsný blok medzi strojmi
Pretože stroj funguje ako kladivo: v ňom sa zrážajú prúdy stoviek miliárd protónov na energetickej úrovni, ktorá dosahuje sedem teraelektrónových voltov (TeV) na lúč. To uľahčuje objavovanie nových ťažkých častíc, ale sťažuje presné merania, pretože protóny pozostávajú z chaotického nárastu kvarkov a gluónov, vďaka čomu sú zrážky chaotické.
Fyzici namiesto toho vo svojich aplikáciách požadujú akýsi leptónový urýchľovač, pretože leptóny - skupina ľahkých častíc, ako sú elektróny, mióny alebo neutrína - unikajú chaosu, pretože nie sú zapojené do silných interakcií kvark-gluón, ktoré následne vedú k nim. Produkujte neporiadok. Leptóny sú elementárne častice, ktoré na seba navzájom pôsobia prostredníctvom elektromagnetických a slabých síl iba relatívne malý vplyv. Preto leptónové urýchľovače fungujú skôr ako skalpely a nie ako zbíjačky: Ich kolízie je možné jemne prispôsobiť hmotnosti príslušnej častice a výsledný oblak častíc by bol porovnateľne čistý a ľahko interpretovateľný.
V snahe ušetriť náklady sa niektorí fyzici zasadzujú o to, aby sa trubice nového urýchľovača umiestnili vedľa trubičiek LHC a aby sa mohli zraziť protichodné lúče elektrónov a pozitrónov. Tento návrh - známy ako LEP3 (na počesť Veľkého elektrón-pozitrónového urýchľovača, ktorý viedol tunel pod Ženevou pred LHC) - prišiel až minulý rok, keď sa začali hromadiť prvé dôkazy o novej častici. LEP3 mohol generovať Higgsove bozóny iba s 120 GeV na lúč - celková energia 240 GeV: V porovnaní s pôvodným maximom LEP 209 GeV by to muselo vystúpiť iba na malý zub. Nový technický vývoj by mohol ešte viac zvýšiť rýchlosť výroby, pretože umožňuje mieru kolízií, ktorá je 500-krát vyššia ako u pôvodného LEP.
„Teraz je možno čas, aby Európa vrátila priazeň“
(Lyn Evans)
Ak bol LEP3 zabudovaný v existujúcom tuneli LHC, mohli vedci nielen recyklovať niektoré z detektorov, ale aj využiť infraštruktúru CERN-u, ako napríklad napájanie alebo spracovanie údajov. Tieto synergie by znížili odhadované náklady na LEP3 na jednu až dve miliardy dolárov - oveľa menej ako šesť miliárd dolárov, ktoré nakoniec stál LHC. „Na návrhu je niečo presvedčivé,“ zdôrazňuje navrhovateľ LEP3 Alain Blondel z Ženevskej univerzity. Poukazuje na to, že aj tak je dostatok priestoru pre leptónový urýchľovač bez nutnosti odstraňovania LHC: Tunel bol pôvodne navrhnutý tak, aby pojal oba urýchľovače súčasne.
Mióny alebo elektróny
Napriek všetkým výhodám vysoko produktívnej Higgsovej továrne má LEP3 aj jednu veľkú nevýhodu: nemôže skúmať častice, ktoré sú ťažšie ako Higgsova častica. A to by sa stalo problémom, ak LHC objaví ďalšie ťažké častice, ktoré teoretici predpovedajú na základe supersymetrie, alebo ak má akcelerátor dokonca poskytovať informácie o iných dimenziách. Je prakticky nemožné zvýšiť hladinu energie LEP3 tak vysoko, aby to umožnilo štúdium aj ťažších častíc, pretože by to malo za následok stratu synchrotrónového žiarenia: elektromagnetické vlny, ktoré elektróny alebo pozitróny „unikajú“, keď pretekajú magnetickým poľom nechať sa rozptýliť.
Pre protóny LHC to nie je problém, pretože straty energie v dôsledku synchrotrónového žiarenia drasticky klesajú s časticami s vyššou hmotnosťou a protóny sú dvetisíckrát také ťažké ako elektróny; s LEP3 by to bolo vážne. Energetická úroveň akcelerátora by sa mohla zvýšiť, iba ak by sa zväčšil jeho polomer - čo by bez ďalšieho tunela nebolo možné. Niektorí fyzici už preto navrhli vyvŕtať novú trubicu pod Ženevským jazerom s cieľom nainštalovať elektrón-pozitrónový stroj s polomerom 80 kilometrov. V dohľadnej budúcnosti však na to nevidí žiadnu šancu, hovorí Heuer.
Mnoho vedcov po celom svete preto diskutuje o alternatívnych konceptoch pre Higgsovu továreň, ktorá by s obvodom 1,5 kilometra bola podstatne menšia ako LEP3. Tu sa zrazia miónové prúdy, ktoré majú 207-násobok hmotnosti elektrónu bez výraznejších strát synchrotrónového žiarenia. Mohli by vzniknúť desaťtisíce Higgsových bozónov, aj keď celková energia zrážky je iba 125 GeV a nie 240 GeV ako v prípade LEP3. Technici navyše mohli zvýšiť množstvo energie tak vysoko, že je možné preskúmať aj ťažšie častice.
Miónový urýchľovač má však svoju vlastnú skupinu problémov. Mióny sa rozpadajú na elektróny a neutróny už po 2,2 mikrosekundách - čo v zásade predstavuje dlhú životnosť v subatomovej sfére s miliardtým rozsahom nanosekúnd, čo pre inžinierov znamená prakticky okamžite. Bolo by treba vyrobiť mióny prenasledovaním protónového lúča do kovového terča, následným prevedením výsledku na regulovaný lúč a jeho urýchlením na potrebnú energiu. A to všetko sa musí stať v časovom rámci, ktorý je menší ako mihnutie oka. Experiment Muon Ionization Cooling Experiment (MICE) v Rutherford Appleton Laboratory neďaleko Oxfordu sa venuje tejto výzve. Výsledky by mali byť k dispozícii do roku 2016 a proces by mal byť vyspelý, aby ho CERN mohol použiť na spustenie výroby neutrín, na vysielanie lúčov z miónových neutrín cez zem k detektorom vzdialeným tisíce kilometrov.
Lineárny urýchľovač
Napriek tomu je veľa fyzikov skeptických. „Pochybujem, že v živote uvidím miónový urýchľovač,“ hovorí Brian Foster z Oxfordskej univerzity. „Snažíme sa„ ochladzovať “mióny už viac ako desať rokov, čo je mimoriadne náročné.“ Foster je európskym regionálnym riaditeľom pre konkurenčný projekt lineárneho urýchľovača LEP: dlhého, priameho elektrónového urýchľovača, ktorý strieľa priamo na elektrónku rovnako dlhého a priameho pozitrónového urýchľovača, takže jeho lúče sa stretávajú presne v strede. Pretože neexistujú žiadne krivky, nevznikajú ani straty zo synchrotrónového žiarenia. Môžu sa tiež inovovať tak často, ako sa vám páči, jednoduchým rozšírením ich koncových bodov.
Prvýkrát sa táto myšlienka objavila v 80. rokoch, čo nakoniec vyústilo do dvoch koncepcií. ILC by bol dlhý 30 kilometrov a využíval by technológie, ktoré boli vyskúšané a vyskúšané v praxi, aby sa dosiahla energia 0,5 TeV - s možnosťou zvýšenia na 2 TeV. Náklady: asi 6,7 miliárd dolárov. Kompaktný lineárny urýchľovač (CLIC), ktorý uprednostňuje CERN, sa naopak predĺžil na viac ako 50 kilometrov, ale spoliehal by sa na nové technológie akcelerátora, ktoré by mu poskytli celkovú energiu 3 TeV. Jeho náklady sú stále úplne nejasné, ale prinajmenšom jeho energetická úroveň otvára úplne nové možnosti objavovania a presnejších meraní. Aby sa spojili sily, fyzici častíc z ILC a CLIC pracujú pod vedením bývalého riaditeľa LHC Lyn Evansa na vypracovaní návrhu jediného lineárneho urýchľovača do roku 2015.
Pri testovaní Higgsovho bozónu je rozumné začať s lineárnym akcelerátorom, ktorý dosahuje 250 GeV; potom sa energia potom postupne zvyšuje až na hodnotu 500 GeV, myslí si Evans. Potom by mohol vygenerovať páry Higgsových bozónov, ktoré môžu vedci skúmať s ohľadom na ich vzájomné väzobné vlastnosti a interakcie s najťažšou materiálovou časticou zo všetkých - vrchným kvarkom. Vyššia úroveň energie je technicky uskutočniteľná, ale spotrebuje viac elektriny, napríklad výrobná kapacita stredne veľkej elektrárne. "Horná hranica pre takýto systém je pravdepodobne v rozmedzí maximálneho možného zásobovania energiou v CERN-e. V súčasnosti je to 300 megawattov," uviedol Evans.
Kde by sa však mal nachádzať tento leptónový urýchľovač? Platí pravidlo, že hostiteľská krajina platí zhruba polovicu nákladov - v očakávaní dlhodobých ekonomických ziskov. Ekonomické prostredie však v súčasnosti tento argument sťažuje, najmä pri projektoch, o ktorých sa politici domnievajú, že svojim voličom nesľubujú krátkodobé výhody.
Globalizácia akcelerátora
Ak sa v priebehu najbližších rokov skutočne rozhodne o novom lineárnom urýchľovači, pravdepodobne sa nebude vyrábať v Ženeve, myslí si Evans. Napriek drvivej technickej a politickej infraštruktúre má CERN dosť času na to, aby pracoval s LHC, ktorý tiež dosiahne svoju maximálnu energiu 7 TeV najskôr v roku 2014. Vrchol jeho tvorivej brilantnosti nie je naplánovaný ani na rok 2022.
Pier Oddone, riaditeľ spoločnosti Fermilab, má podozrenie, že aj USA budú nepravdepodobné: „Muselo by sa začať drastické prehodnotenie.“ “ Po zatvorení urýchľovača Tevatron spoločnosti Fermilab sa zameranie fyziky vysokoenergetických častíc presunulo do Európy. Americkí vedci sa naopak sústreďujú na oblasť intenzity a skúmajú vzájomné pôsobenie vzácnych častíc, napríklad vytváraním intenzívnych neutrínových prúdov. Napriek tomu, hovorí Oddone, „náš rozpočet bol tento rok znížený a mali sme ťažkosti s prevádzkovaním zariadenia, ktoré stojí iba desatinu ILC.“ Okrem toho by bolo pre USA „veľmi ťažké“ významne prispieť k tomu, aby sa v súčasnosti v súčasnosti leptový urýchľovač budoval inde.
„Pravdepodobne rozdiel urobí telefonický rozhovor medzi prezidentom a predsedom vlády“
(Pier Oddone)
Mnoho pozorovateľov si preto myslí, že najsľubnejším kandidátom na umiestnenie budúcich strojov bude Japonsko. Napríklad krajina významne prispela k LHC v polovici 90. rokov, keď sa dostala do finančných ťažkostí. „Teraz je možno čas, aby Európa túto priazeň vrátila,“ uviedol Evans. Japonský premiér sa k ILC vyjadril pozitívne aj vlani v decembri, krátko po zverejnení predbežných výsledkov o novom bozóne. A existujú náznaky dodatočného financovania, pretože o novom urýchľovači sa hovorí v rámci rozsiahlejšieho ekonomického plánu: Zámerom je ekonomicky postaviť región, ktorý bol zničený zemetrasením a vlnou tsunami.
Stroj má slúžiť ako opora „medzinárodného mesta“, ktoré zahŕňa ďalšie výskumné zariadenia, priemyselné oblasti a vzdelávacie centrá. Napokon ILC zostalo vysoko na zozname želaní japonských fyzikov častíc, keď nedávno vytvorili svoj posledný päťročný plán.
Dá sa teda ILC nazvať bezpečnou stávkou? „Dobrý bože, nie,“ zvolá Foster. „Je to však naša najväčšia šanca, ktorú sme za dlhý čas mali.“ Womersley odhaduje pravdepodobnosť, že stroj bude vyrobený, na 50/50. „Nemali by sme brať financovanie ako samozrejmosť len preto, že sa našiel Higgs.“ Oddone odhaduje, že od priekopníka po funkčné ILC bude trvať desať rokov; navyše by bol čas na prípravu. "Hovoríme teda najskôr o roku 2025. Kto však začne s takýmto projektom skôr, ako bude známe, čo by mohol LHC objaviť? Možno stále existujú veci, ktoré sú omnoho exotickejšie ako Higgsov bozón."
Celkovo veľa fyzikov častíc sníva o celkovej konštelácii, ktorá zahŕňa všetky tri oblasti: LHC skúma vysokoenergetický front v Európe, rôzne experimenty s neutrínmi v USA dosahujú hranicu intenzity a nový urýchľovač leptónu v Japonsku pribíja všetky podrobnosti ďalších exotických nových častíc, ktoré LHC sa zatiaľ nezistil. Oddone si myslí, že to, či sa tento sen stane skutočnosťou, nezávisí iba od vedcov: „Je pravdepodobné, že rozhodne telefónny rozhovor medzi prezidentom a premiérom.“
Pôvodný text sa objavil pod názvom „Nová časticová krajina“ v Nature 488, s. 572-575.