Забрзувач Светската машина на утрешниот ден - спектар на наука
Акцелератор: Светската машина за утре
Кога физичарите на честички се разбудија на 5 јули 2012 година, многумина веројатно имаа посебно прашање во задниот дел на нивните умови: Дали откривањето на тежок бозон беше објавено ден пред всушност Хигсовата честичка предвидена со Стандардниот модел на физика? Или, можеби е нешто уште посложено и интересно што сугерира поширока теорија? Одговорите на ова би можеле да ја дефинираат иднината на физиката на честички.
Многу физичари се надеваат - и очекуваат - дека Големиот хадронски судир (LHC) во Geneенева ќе им обезбеди неколку одговори во текот на следните неколку години. Како и да е, тие веќе ги усовршуваат своите тактики за продажба со цел да добијат машина за наследник на LHC: фабрика Хигс што може да фрли светлина на нова теорија со значително попрецизни мерења отколку денес.
„Знаеме дека мора да има нова физика надвор од Стандардниот модел“, објаснува Бери Бариш од Калифорнискиот институт за технологија во Пасадена. Ова е загарантирано, тврдат тој и некои колеги, преку одредени феномени кои тешко се вклопуваат во сегашниот стандарден модел, како што е невидливата рамка на темната материја што би требало да сочинува една четвртина од вкупната густина на масата на универзумот, или дека неутрините лесно можат да преминат од една во друга форма може. Бариш го предводи глобалниот конзорциум за развој на Меѓународен линеарен судир (ILC): еден од кандидатите за следната светска машина. Различни состаноци за планирање, како што се оние од 10 до 12 септември во Краков или во јуни 2013 година во САД, имаат за цел да ги врзат истражувачките приоритети на физичарите на честички за следните неколку години.
Плановите се едно, реалноста е друга: во време на економска криза ќе биде огромен предизвик дури и да се финансира нов акцелератор на честички, предупредува Кристофер Левелин-Смит од Универзитетот во Оксфорд и поранешен директор во ЦЕРН. "Тоа зависи од тоа кои други честички се откриени во LHC, дали новиот систем е едногласно поддржан од целата заедница на физичари и колку на крај чини. Дури и ако теоретските размислувања се исто толку здрави како со LHC и трошоците се покриени тоа е тешка работа “, објаснува тој.
LHC е жив
Едно од централните прашања е до каде можат да стигнат тимовите на LHC за мерење на својствата на нивната нова честичка. Во секој случај, вклучените физичари можат да очекуваат многу повеќе податоци и решителни надградби на нивниот уред во следните десет години. И тие веќе беа во можност да објават добра вест: масата на Хигсовиот бозон е околу 125 гигаелектронски волти (GeV), на благиот крај на опсегот на тежина што го проценуваа теоретичарите. Ова има две важни импликации, бидејќи тоа значи дека дури и релативно скромен нов акцелератор на честички може масовно да произведе Хигс честички. И ја опремува новата честичка со широк спектар на можности за распаѓање, така што истражувачите можат полесно да ги споредат нејзините интеракции со другите компоненти на Стандардниот модел.
На пример, научниците првенствено сакаат да тестираат како Хигс комуницира со фермионите на Стандардниот модел, т.е. со електрони, миони и кваркови со спин квантен број 0,5. Веројатноста за интеракција со секоја честичка треба да биде пропорционална на нејзината маса - не и најмалку важно затоа што, според Стандардниот модел, токму оваа интеракција со Хигсовата честичка ја создава вистинската маса. Вториот приоритет е да се тестира дали сопствениот спин на новата честичка одговара на вредноста 0 од стандардниот модел. Физичарите од LHC веќе можат да кажат дека новата честичка е бозон што мора да има спин од 0, 1, 2 или некој друг цел број. Веќе може да се исклучи вртењето од 1, бидејќи бозоните се распаѓаат во фотонски парови, кои се исто така секој бозон и со тоа вртат 1 честички. Ниту еден физичар сè уште не дошол до луди теории кои вклучуваат бозони со вртење поголемо од 2, вели Алберт де Рок од ЦЕРН, кој го координира Компактен детектор за електромагнетни соединенија на LHC. Затоа, истражувачите сега се обидоа да утврдат дали станува збор за спин 2 или спин 0 бозон, како што беше предвидено.
ЛХЦ ќе го разјасни ова прашање, нагласува Ролф Хоер, генерален директор на ЦЕРН. Сепак, сè уште е нејасно до каде може да стигне неговата машина за да ги прекине врските помеѓу бозонот и другите честички - особено она што му дава сопствена маса на Хигс. Досега, вклучените физичари можеа да докажат само дека интеракциите на Хигсовиот бозон со другите честички се разумно во согласност со предвидувањата на Стандардниот модел во рамките на сегашните неизвесности на мерењата од 30 до 40 проценти. Според Де Рок, забрзувачот треба да ја намали оваа вредност на околу 20 проценти до крајот на 2012 година; во следните 10 до 15 години, „многу малку проценти“ се дури можни.
Но, токму поради оваа причина многу физичари повикуваат на нов забрзувач на честички. Навистина обврзувачки тест за стандардниот модел - кој ќе открие дури и најситни отстапувања и со тоа ќе го покаже патот кон уште подобра теоретска структура - бара точност на мерењето на Хигсовите интеракции од максимум едно процентно отстапување. Дури и вредности до 0,1 процент би биле оптимални ако теоретските предвидувања исто така се подобрат во следните неколку години. И тоа е ниво кое LHC тешко може да го достигне.
Грубиот блок меѓу машините
Бидејќи машината работи како чекан: Во неа струи од стотици милијарди протони се судираат на ниво на енергија што достигнува седум тераелектронски волти (TeV) на зрак. Ова го олеснува откривањето на нови тешки честички, но ги отежнува прецизните мерења, бидејќи протоните се состојат од хаотичен наплив на кваркови и глуони, што ги прави судирите хаотични.
Наместо тоа, физичарите повикуваат на еден вид лептонски забрзувач во нивната примена, бидејќи лептоните - група на светлосни честички, како што се електрони, муони или неутрини - избегнуваат хаос затоа што тие не се вклучени во силните интеракции на кварк-глуон што, пак, доведуваат до нив Произведете неред. Лептоните се елементарни честички кои имаат само релативно мал ефект едни на други преку електромагнетни и слаби сили. Лептонските акцелератори работат повеќе како скалпел, а не како џеммер: Нивните судири можат да бидат прилагодени на масата на соодветната честичка, а добиениот облак од честички ќе биде релативно чист и лесен за толкување.
Со цел да заштедат трошоци, некои физичари се залагаат едноставно поставување на цевките на новиот забрзувач покрај оние на LHC и предизвикување судир на спротивните зраци на електрони и позитрони. Овој предлог - познат како ЛЕП3 (во чест на Големиот судир на електрони-позитрони што го зеде тунелот под Geneенева пред LHC) - се појави само минатата година, кога започнаа да се собираат првите докази за новата честичка. LEP3 може да генерира Хигсозни бозони со само 120 GeV на зрак - вкупна енергија од 240 GeV: Во споредба со оригиналниот LEP максимум 209 GeV, треба да засили само мал заб. Поновите технички достигнувања може да ја зголемат стапката на производство уште повеќе, бидејќи овозможуваат стапка на судир 500 пати поголема од онаа на оригиналниот LEP.
„Сега можеби е време Европа да ја врати услугата“
(Лин Еванс)
Ако LEP3 беше вграден во постојниот тунел LHC, истражувачите не само што можеа да рециклираат некои од детекторите, туку и да ја користат инфраструктурата на ЦЕРН, како што е напојувањето или обработката на податоците. Овие синергии ќе ја намалат проценетата цена на LEP3 на една до две милијарди долари - далеку помалку од шесте милијарди долари што LHC на крај ги чинеше. „Има нешто убедливо во предлогот“, нагласува предлагачот на ЛЕП3, Ален Блондел од Универзитетот во Geneенева. Тој истакнува дека во секој случај има доволно простор за забрзувачот на лептон без да мора да се отстрани LHC: Првично, тунелот беше дизајниран да ги собере двата акцелератори истовремено.
Муони или електрони
И покрај сите свои предности како високопродуктивна фабрика Хигс, LEP3 има и еден голем недостаток: не може да испита честички потешки од Хигсовата честичка. И, тоа би станало проблем ако ЛХЦ открие други тешки честички што теоретичарите ги предвидуваат врз основа на суперсиметријата или ако забрзувачот дури би требало да обезбеди индиции за други димензии. Практично е невозможно да се зголеми нивото на енергија на LEP3 толку високо што исто така овозможува проучување на потешки честички, бидејќи тоа би резултирало во губење на синхротронско зрачење: електромагнетните бранови што ги „исфрлаат“ електроните или позитроните кога се натпреваруваат низ магнетно поле расејувај се.
Ова не е проблем со протоните на LHC, бидејќи загубите на енергија како резултат на зрачењето на синхотронот драстично се намалуваат со честички со поголема маса и протоните се две илјади пати потешки од електроните; со LEP3 ова би било сериозно. Нивото на енергија на забрзувачот може да се зголеми само ако неговиот радиус стане поголем - што не би било можно без дополнителен тунел. Затоа, некои физичари веќе предложија дупчење нова цевка под Lakeеневското езеро со цел да се инсталира машина за електрони-позитрони со радиус од 80 километри. Во догледна иднина, сепак, тој не гледа шанси за ова, вели Хоер.
Многу научници ширум светот разговараат за алтернативни концепти за фабриката Хигс, која со обем од 1,5 километри би била значително помала од LEP3. Ова е местото каде што се судираат струите на муон, кои имаат 207 пати поголема маса од електронот без значителни загуби на зрачење на синхотронот. Може да се појават десетици илјади Хигсозни бозони, иако вкупната енергија на судир е само 125 GeV и не 240 GeV како во LEP3. Покрај тоа, техничарите би можеле да ја зголемат количината на енергија толку голема што може да се испитаат дури и потешки честички.
Меѓутоа, забрзувачот на муон има свој сет на проблеми. Мионите се распаѓаат во електрони и неутрони по само 2,2 микросекунди - што во принцип претставува долг работен век во субатомското подрачје со своите милијардити наносекунди, значи практично непосредно за инженерите. Треба да се произведат мионите со бркање на протонски зрак во метална мета, а потоа да се претвори резултатот во регулиран зрак и потоа да се забрза во потребната енергија. И сето ова треба да се случи во временска рамка што е помалку од трепкање на окото. Експериментот за ладење со јонизација на муон (MICE) во лабораторијата „Радерфорд Аплтон“ близу Оксфорд се справува со овој предизвик. Резултатите треба да бидат достапни до 2016 година, а процесот треба да биде зрел, така што ЦЕРН може да го искористи за да започне производство на неутрини, за да ги испрати зраците од муонските неутрини низ земјата до детекторите оддалечени илјадници километри.
Линеарниот акцелератор
Сепак, многу физичари се скептични. „Се сомневам дека ќе видам забрзувач на муон во мојот живот“, вели Брајан Фостер од Универзитетот во Оксфорд. „Повеќе од десет години се обидуваме да ги„ разладиме “муоните, што е исклучително тешко“. Фостер е европски регионален директор за конкурентскиот проект на линеарен LEP забрзувач: долг, прав електронски забрзувач кој пука директно во цевката на подеднакво долг и прав позитронски забрзувач, така што неговите зраци ќе се сретнат точно во средина. Бидејќи нема криви, исто така нема загуби од синхротронско зрачење. Тие исто така можат да се ажурираат толку често колку што сакате со едноставно проширување на нивните крајни точки.
Оваа идеја се појави за прв пат во 1980-тите, што на крајот резултираше во два концепта. ILC би бил долг 30 километри и би користел технологии што биле испробани и тестирани во пракса за да се постигне енергија од 0,5 TeV - со можност за зголемување на 2 TeV. Цена: околу 6,7 милијарди долари. Компактниот линеарен судир (CLIC), фаворизиран од ЦЕРН, од друга страна, се протегаше над 50 километри, но ќе се потпреше на новите технологии за забрзување што ќе му дадат вкупна енергија од 3 TeV. Неговите трошоци се сè уште нејасни, но барем нивото на енергија отвора сосема нови можности за откривање и попрецизни мерења. Со цел да ги здружат силите, физичарите на честички од ILC и CLIC работат под раководство на поранешниот директор на LHC, Лин Еванс, да изготват предлог за единствен линеарен забрзувач до 2015 година.
Разумно е да се започне со линеарен забрзувач кој достигнува 250 GeV за да го тестира бозонот на Хигс; тогаш енергијата постепено се зголемува до вредност од 500 GeV, смета Еванс. Тогаш тој би можел да генерира парови на бозонски Хигс, кои истражувачите можат да ги испитаат во врска со нивните својства на врзување едни со други и интеракциите со најтешката материјална честичка од сите - горниот кварк. Повисоките нивоа на енергија се технички изводливи, но трошат повеќе електрична енергија, на пример, производствениот капацитет на централата со средна големина. "Горната граница за таков систем е веројатно во опсегот на максимално можно снабдување со енергија во ЦЕРН. Ова во моментов е 300 мегавати", рече Еванс.
Но, каде треба да се наоѓа овој лепер забрзувач? Правилото е дека земјата домаќин плаќа околу половина од трошоците - во пресрет на долгорочните економски придобивки. Сепак, економското опкружување во моментов го отежнува овој аргумент, што е особено точно за проекти за кои политичарите сметаат дека не ветуваат краткорочни придобивки за нивните гласачи.
Глобализација на акцелераторот
Доколку навистина се одлучи за нов линеарен забрзувач во следните неколку години, тој веројатно нема да биде изграден во Geneенева, смета Еванс. И покрај огромната техничка и политичка инфраструктура, ЦЕРН има доволно долго време да се справи со LHC, кој исто така ќе ја достигне својата максимална енергија од 7 TeV најрано во 2014 година. Врвот на неговата креативна брилијантност не е планиран ниту за 2022 година.
Пјер Одоне, директорот на Фермилаб, се сомнева дека САД исто така ќе бидат малку веројатно: „wouldе треба да започне драстично размислување“. Откако беше затворен забрзувачот на Темирон на Фермилаб, фокусот на високо-енергетската физика на честички се префрли на Европа. Американските истражувачи, од друга страна, се концентрираат на областа на интензитет и истражуваат како ретките честички комуницираат едни со други, на пример со производство на интензивни струи на неутрино. А сепак, вели Одоне, „нашиот буџет е остро скратен оваа година и имавме потешкотии да управуваме со објект што чини само една десетина од ILC“. Покрај тоа, би било „многу тешко“ за САД значително да придонесат за забрзување на лептон што се гради на друго место во моментот.
„Веројатно за ова одлучува телефонски разговор помеѓу претседател и премиер“
(Пјер Одоне)
Многу набудувачи сметаат дека Јапонија ќе биде најперспективниот кандидат за локацијата на идните машини. На пример, земјата даде значителен придонес кон LHC во средината на 90-тите години кога наиде на финансиски тешкотии. „Сега можеби е време Европа да ја врати услугата“, рече Еванс. Јапонскиот премиер беше позитивен и во однос на ИЛЦ минатиот декември, кратко време откако беа објавени прелиминарните резултати за новиот бозон. И има суптилни индикации за дополнително финансирање, бидејќи се разговара за новиот акцелератор како дел од поголем економски план: Тој има за цел економски да го врати на нозе регионот разорен од земјотрес и цунами.
Машината треба да служи како потпора на „меѓународен град“ што вклучува други истражувачки капацитети, индустриски области и едукативни центри. Конечно, ILC остана високо на списокот со желби на јапонски физичари на честички кога неодамна го поставија својот последен петгодишен план.
Значи, дали ILC може да се нарече безбеден облог? „Добар Бог, не“, извикува Фостер. „Но, тоа е нашата најголема шанса што ја имавме веќе подолго време. Вомерсли проценува дека веројатноста машината да биде изградена е 50/50. „Не треба да ги земаме финансиите здраво за готово само затоа што е пронајден Хигс“. Од Одоне проценуваат дека ќе бидат потребни десет години од авантуристичкиот период до оперативниот ИЛЦ; покрај тоа би имало време за подготовка. "Значи, ние зборуваме за 2025 година најрано. Но, кој започнува ваков проект пред да се знае што може да открие ЛХЦ? Можеби сè уште има работи што се многу поегзотични од бозонот на Хигс".
Се на се, многу физичари на честички сонуваат за целокупно соelвездие што ги опфаќа сите три области: LHC истражува високо-енергетски фронт во Европа, разни експерименти со неутрино во САД ја достигнуваат границата на интензитетот, а новиот лептон-забрзувач во Јапонија ги закова сите детали за другите егзотични нови честички што можат LHC сè уште не е откриен. Одоне смета дека дали овој сон ќе се оствари не зависи само од научниците: „Телефонскиот разговор меѓу претседател и премиер веројатно ќе одлучи“.
Оригиналниот текст се појави под наслов „Новиот пејзаж на честички“ во Природа 488, стр. 572-575.