Jau 2008. gadā protonu stars pirmo reizi tika saspiests ap Lielo hadronu sadursmi (LHC), kas ir visspēcīgākais pasaules daļiņu paātrinātājs. Tagad, pēc desmit gadiem, ir pienācis laiks pārskatīt to, ko mēs esam iemācījušies, pateicoties šai iespējai, un to, kas vēl priekšā.
Šajā grāmatvedībā ir iekļauti gan nākotnes pētījumi, ko var veikt LHC, gan arī iespējamās jaunas iespējas, kas varētu sadurt daļiņas pie enerģijas, kas ir daudz plašāka nekā LHC var sasniegt. Ir ierosināti divi, varbūt trīs, LHC aizstājumi. Tātad, pārskatīsim, kur mēs esam un kur esam nonākuši pēdējās desmitgades laikā.
LHC stāsts ir gan uzmundrinošs, gan vētrains ar notikumiem, sākot no postošajiem postījumiem, kas saistīti ar instrumenta milzīgajiem magnētiem pirmajās operāciju dienās, līdz feniksa veida celšanai no šīs traģēdijas, kam seko nopietni un aizraujoši atklājumi, ieskaitot Higsa bozonu. Šis atradums ieguva Pētera Higsa un Fransuā Englerta Nobela prēmiju, kā viņi bija paredzējuši daļiņai vairāk nekā pirms pusgadsimta. Ir neparasti, ka pasaule ātri seko līdzi jaunumiem daļiņu fizikā, taču paziņojums par Higsa atklājumu izraisīja ziņu pārraidi visā pasaulē.
Jaunās fizikas atrašana
Arī fiziķi atradās pie savām vietām, gaidot, ko viņi cerēja, būs negaidīti atklājumi. Gandrīz pusgadsimta garumā zinātniekiem ir izstrādāta pašreizējā teorētiskā izpratne par subatomisko vielu izturēšanos. Šo izpratni sauc par daļiņu fizikas standarta modeli.
Modelis izskaidro novēroto parasto vielu molekulu un atomu un pat vismazāko zināmo celtniecības bloku uzvedību, kāda jebkad novērota. Šīs daļiņas sauc par kvarkiem un leptoniem, ar kvarkiem, kas atrodami protonu un neitronu iekšpusē, kas satur atoma kodolu, un ar elektroniem, kas ir vispazīstamākie leptoni. Standarta modelis izskaidro arī visu zināmo spēku izturēšanos, izņemot smagumu. Tas tiešām ir ārkārtējs zinātnisks sasniegums.
Tomēr standarta modelis nepaskaidro visas lietas teorētiskajā fizikā. Tas neizskaidro, kāpēc kvarki un leptoni, šķiet, eksistē trīs atšķirīgās, bet gandrīz identiskās konfigurācijās, ko sauc par paaudzēm. (Kāpēc trīs? Kāpēc ne divi? Vai četri? Vai viens? Vai 20?) Šis modelis nepaskaidro, kāpēc mūsu Visums ir pilnībā veidots no matērijas, kad vienkāršākā Alberta Einšteina relativitātes teorijas izpratne saka, ka Visumam vajadzētu būt arī vienāds daudzums antimateriāla.
Standarta modelis nepaskaidro, kāpēc kosmosa pētījumi liecina, ka atomu parastā viela veido tikai 5 procentus no Visuma matērijas un enerģijas. Tiek uzskatīts, ka pārējais sastāv no tumšās matērijas un tumšās enerģijas. Tumšā matērija ir tāda veida matērija, kas izjūt tikai gravitāciju un nevienu no citiem pamata spēkiem, savukārt tumšā enerģija ir atgrūdoša gravitācijas forma, kas caurstrāvo kosmosu.
Pirms LHC pirmajām operācijām fiziķi, piemēram, es, cerēja, ka atomu iznīcinātājs mums palīdzēs atbildēt uz šiem mīklainajiem jautājumiem. Visbiežāk citēto kandidātu teoriju, lai izskaidrotu šīs mīklas, sauca par supersimetriju. Tas liek domāt, ka visām zināmajām subatomiskajām daļiņām ir līdzīgas daļiņas. Tie, savukārt, varētu sniegt skaidrojumu tumšajai matērijai un atbildēt uz dažiem citiem jautājumiem. Tomēr fiziķi nav novērojuši supersimetriju. Vēl vairāk, LHC dati ir izslēguši vienkāršākās teorijas, kas ietver supersimetriju. Tātad, ko ir paveikusi LHC?
LHC ir paveicis daudz
Neskatoties uz visu Higsa bozona lietu, LHC ir papildinājis datus ar četrām lielajām eksperimentālajām sadarbībām, kā rezultātā ir izveidoti vairāk nekā 2000 zinātniski raksti. LHC iekšpusē daļiņas ir sadurtas viena otrai ar enerģiju, kas ir 6,5 reizes augstāka nekā Fermilab Tevatron sasniegtais, kas ceturtdaļgadsimtu ilgi turēja pasaules spēcīgākā daļiņu paātrinātāja titulu, līdz LHC paņēma šo vainagu.
Šie standarta modeļa testi bija ļoti svarīgi. Jebkurš no šiem mērījumiem varēja nepiekrist prognozēm, kas būtu novedis pie atklājuma. Tomēr izrādās, ka standarta modelis ir ļoti laba teorija, un tas veica tik precīzas prognozes LHC sadursmes enerģijās, kā tas tika darīts enerģijas līmeņiem iepriekšējā Tevatron.
Tātad, vai tā ir problēma? Ļoti reālā nozīmē atbilde ir nē. Galu galā zinātne ir tikpat svarīga kā nepareizu jaunu ideju pārbaude un noraidīšana, kā arī pareiza ideju apstiprināšana.
No otras puses, nav noliedzams, ka zinātnieki būtu bijuši daudz satrauktāki, lai atrastu parādības, kuras iepriekš nebija paredzētas. Šāda veida atklājumi virza cilvēku zināšanas, un kulminācija ir mācību grāmatu pārrakstīšana.
LHC stāsts vēl nav beidzies
Tātad, ko tagad? Vai LHC ir beidzis stāstīt mums savu stāstu? Diez vai. Patiešām, pētnieki cer uz aprīkojuma uzlabojumiem, kas viņiem palīdzēs izpētīt jautājumus, kurus viņi nevar risināt, izmantojot pašreizējās tehnoloģijas. LHC tika slēgts 2018. gada decembra sākumā, lai divus gadus atjaunotu un modernizētu. Kad akselerators atsāks darbību 2021. gada pavasarī, tas atgriezīsies ar nelielu enerģijas pieaugumu, bet dubultā sadursmju skaitu sekundē. Ņemot vērā turpmākos plānotos uzlabojumus, LHC zinātnieki līdz šim ir reģistrējuši tikai 3 procentus no paredzētajiem datiem. Lai arī visus secinājumus būs nepieciešams izskaidrot daudzus gadus, pašreizējais plāns ir reģistrēt apmēram 30 reizes vairāk datu nekā līdz šim ir iegūts. Ar vēl daudz jauniem datiem LHC vēl ir daudz ko pastāstīt.
Tomēr, lai gan LHC darbosies varbūt vēl 20 gadus, ir pilnīgi saprātīgi jautāt arī: "Kas tālāk?" Daļiņu fiziķi domā par daļiņu paātrinātāja izveidi, lai aizstātu LHC. Sekojot LHC tradīcijai, viena iespēja protonu starus saduras kopā ar prātojošām enerģijām - 100 triljonus elektronu voltu (TeV), kas ir daudz vairāk nekā LHC maksimālā spēja - 14 TeV. Bet šo enerģiju piepildīšanai būs vajadzīgas divas lietas: pirmkārt, mums vajadzēs uzbūvēt divreiz jaudīgākus magnētus, nekā tie, kas pārvieto daļiņas ap LHC. Tas tiek uzskatīts par izaicinošu, bet sasniedzamu. Otrkārt, mums būs vajadzīgs vēl viens tunelis, līdzīgi kā LHC, bet apkārt daudzkārt trīs reizes lielāks, un bumbiņas laukuma apkārtmērs ir 61 jūdzes (100 kilometri), kas ir apmēram četras reizes lielāks nekā LHC.
Bet kur tiks uzbūvēts šis lielais tunelis, un kā tas īsti izskatīsies? Kādas sijas sadursies un pie kādas enerģijas? Tie ir labi jautājumi. Mēs neesam pietiekami tālu plānošanas un lēmumu pieņemšanas procesā, lai iegūtu atbildes, taču ir divas ļoti lielas un pieredzējušas fiziķu grupas, kas domā par jautājumiem, un viņi katrs ir sagatavojuši jaunu paātrinātāju. Vienā no priekšlikumiem, ko galvenokārt virza Eiropas pētniecības grupas, ir iedomāts uzbūvēt lielu papildu akseleratoru, kas, visticamāk, atrodas CERN laboratorijā tieši ārpus Ženēvas.
Saskaņā ar vienu ideju tur esošā iekārta sadursies ar elektronu un antimatērijas elektroniem. Sakarā ar atšķirībām starp paātrinošajiem protoniem salīdzinājumā ar elektroniem - elektronu stars zaudē vairāk enerģijas ap apļveida struktūru nekā protonu stars - šis stars izmantotu 61 jūdžu garu tuneli, bet darbotos ar zemāku enerģiju nekā tad, ja tie būtu protoni. Cits priekšlikums protonu staru sadursmei izmantotu to pašu 61 jūdžu garo paātrinātāju. Pieticīgāks priekšlikums atkārtoti izmantotu pašreizējo LHC tuneli, bet ar jaudīgākiem magnētiem. Šī iespēja sadursmes enerģiju tikai dubultotu virs LHC pašreizējās iespējas, taču tā ir lētāka alternatīva. Citā priekšlikumā, kuru galvenokārt atbalsta ķīniešu pētnieki, ir iedomāts pilnīgi jauns objekts, kas, domājams, būvēts Ķīnā. Šis paātrinātājs būtu arī apmēram 61 jūdžu apkārt, un tas pirms sadursmes ar protonu-protonu aptuveni 2040. gadā sadursies ar elektronu un antimatērijas elektroniem.
Šie divi potenciālie projekti joprojām ir sarunu stadijā. Visbeidzot, zinātniekiem, kas izteica šos priekšlikumus, būs jāatrod valdība vai valdību grupa, kas vēlas sagatavot likumprojektu. Bet pirms tas var notikt, zinātniekiem ir jānosaka iespējas un tehnoloģijas, kas vajadzīgas, lai šīs jaunās iespējas padarītu iespējamas. Abas grupas nesen izlaida plašu un rūpīgu dokumentāciju par viņu projektiem. Ar to nepietiek, lai izveidotu viņu piedāvātās telpas, bet tas ir pietiekami, lai gan salīdzinātu topošo laboratoriju plānotos rādītājus, gan sāktu apkopot ticamas izmaksu prognozes.
Zināšanu robežas izpēte ir grūts darbs, un no pirmajiem sapņiem par šāda mēroga objekta celtniecību, izmantojot operācijas līdz objekta slēgšanai, var paiet daudz gadu desmitu. Atzīmējot pirmā staru kūrorta 10 gadu jubileju LHC, ir vērts izvērtēt, ko objekts ir paveicis un ko dos nākotne. Man šķiet, ka būs aizraujoši dati nākamajai zinātnieku paaudzei, kuru pētīt. Un varbūt, tikai varbūt, mēs uzzināsim vēl dažus dabas aizraujošos noslēpumus.
Dons Linkolns ir fizikas pētnieks Fermilab. Viņš ir grāmatas "Lielais hadronu sadursme: neparasts stāsts par Higsa Bosonu un citas lietas, kas ienesīs tavu prātu"(Johns Hopkins University Press, 2014), un viņš veido zinātnes izglītības sēriju video. Seko viņam vietnē Facebook. Šajā komentārā paustie viedokļi ir viņa.
Dons Linkolns pievienoja šo rakstu Live Science's Ekspertu balsis: op-ed un atziņas.
