2022 m. balandžio 22 d., giliai po Prancūzijos ir Šveicarijos siena netoli Ženevos (Šveicarija), du protonų pluoštai buvo pagreitinti aplink 27 kilometrų žiedą, susidūrusį ir susidariusį antrinių dalelių lietui. Šis eksperimentas nėra jokia naujiena CERN dideliam hadronų greitintuvui (LHC). Tiesą sakant, susidūrus su 450 milijardų elektronvoltų (450 GeV) įpurškimu, eksperimentas yra gerokai mažesnis už galią, kurią gali pasiekti šis didžiausias ir galingiausias žmonijos dalelių greitintuvas.
Tačiau fizikus jaudina tai, ką parodo šis kuklus LHC testas. Šis bandymas žymi naujos eksperimentų serijos su LHC, kuri susidurs su dalelėmis iki 13,6 trilijono elektronvoltų (TeV) energijos, pradžią. Tai yra iki šiol galingiausias susidūrimas su greitintuvu. Ir tai tik pradžia to, kas turėtų būti naujas įdomus dalelių fizikos laikotarpis.
Šis trečiasis LHC eksperimentinis laikotarpis, žinomas kaip Run 3, sukels dar vieną pratęstą pertrauką 2026 m. Per trejų metų pauzę, kuri truks iki 2029 m., LHC bus pati didžiausia iki šiol transformacija – bus užbaigtas didelio šviesumo atnaujinimas, prasidėjęs 2026 m. 2018. Po to LHC šviesumas bus padidintas maždaug 10 kartų.
LHC šviesumas nurodo dalelių, su kuriomis jis gali susidurti, skaičių, o susidūrimų padidėjimas reiškia didesnę galimybę pastebėti egzotišką, iki šiol nematytą fiziką. Tai reiškia, kad gautas greitintuvas, didelio šviesumo didysis hadronų greitintuvas (HL-LHC) turės galią ištirti fiziką, kuri valdo visatą už tai, kas žinoma kaip Standartinis dalelių fizikos modelis.
Už standartinio modelio
Tikslinga, kad žmonija kreipiasi į LHC, kad ieškotų fizikos, kuri yra ne tik standartinis modelis – geriausias mūsų turimas dalelių ir sąveikų, valdančių subatominį pasaulį, aprašymas. Galų gale, būtent su šiuo nuostabiu aparatu šis modelis, pirmą kartą sukurtas 1971 m., buvo baigtas.
2012 m. liepos mėn. CERN paskaitų salėje Šveicarijoje buvo paskelbta apie Higso bozono atradimą, aptiktą LHC ATLAS ir CMS eksperimentais. Bozonas – jėgą nešanti dalelė – buvo paskutinė dalelė, kurią nuspėjo standartinis modelis. Taigi jo atradimas, kuris 2013 m. gaus Nobelio fizikos premiją, buvo šio modelio užbaigimas.
Be to, Higso bozonas, kaip vadinamojo Higso lauko tarpininkavimo dalelė, yra ta dalelė, kuri yra atsakinga už daugelio kitų dalelių zoologijos sodo gyventojų masę. Tai reiškia, kad jo atradimas taip pat pažymėjo ilgalaikę fizikos problemą, kaip dauguma dalelių įgyja savo masę.
Tačiau, nepaisant baigtinumo jausmo, šis teiginys gali reikšti, kad tai jokiu būdu nebuvo paskutinis fizikos elementas, kurį reikia atrasti. Yra fizikos elementų, kurie nėra aprašyti standartiniame modelyje, pavyzdžiui, tamsiosios materijos prigimtis ir tai, kas suteikia neutrinams jų mažytę, beveik nereikšmingą masę.
Taip pat vis dar lieka klausimų dėl paties Higso bozono, kuris nėra tiksliai ta dalelė, kurios egzistavimas buvo numatytas prieš jo atradimą.
LHC dabar gali pradėti tirti šiuos klausimus ir slegiančius galvosūkius.
„Mes atradome, kaip dalelės, tokios kaip elektronas, įgyja masę sąveikaudamos su Higso bozonu, užbaigdami „standartinį modelį“ – sėkmingiausią žmonėms žinomą gamtos teoriją. Tačiau yra daug stebėjimų, kurių šis modelis nenumato“, – sako Salvatore Rappoccio iš Bafalo universiteto Niujorke (JAV), ieškantis naujos fizikos, naudodamas kompaktinio miuono solenoido (CMS) eksperimentą, esantį LHC.
Rappoccio pasakė Elsevier: „Po Higso bozono atradimo naujų fizinių sąveikų LHC nepastebėta. Tai leidžia daryti išvadą, kad jei jie egzistuoja, jų energija yra didesnė už LHC galimybes [of around 13 TeV] arba turi labai mažą gamybos tikimybę mūsų susidūrimų metu ir yra paslėpta tarp foninių procesų.
Vienas iš klausimų, į kurį ieškos atsakymo Rappoccio ir jo komanda, yra tai, kodėl LHC aptiktas Higgso bozonas šiek tiek skiriasi nuo dalelės, kurią numato standartinis modelis.
Geresnį Higso bozono ir jį supančios fizikos supratimą gali padėti tai, kad HL-LHC galės sukurti daug daugiau dalelių, nei galėjo LHC. 2017 m. LHC sukūrė apie 3 milijonus Higgso dalelių. CERN operatoriai apskaičiavo, kad 2029 m. HL-LHC sukurs apie 15 mln. Higso bozonų.
Tačiau HL-LHC ne tik galės ištirti fizikos dėsnius visatoje, kokia ji egzistuoja šiandien. Galbūt, dar įspūdingiau, HI-LHC sugebės atkartoti sąlygas, nustatytas iškart po to Didysis sprogimastaip suteikiant mums aiškiausią visų laikų mūsų kūdikių visatos vaizdą.
Didysis hadronų greitintuvas: kelionė atgal į visatos aušrą
LHC ne tik sumuša protonų pluoštus, bet ir jo įpėdinis HL-LHC. Didžiausias pasaulyje dalelių greitintuvas taip pat gali sudaužyti daug sunkesnes daleles – net elemento geležies atomus, atimtus nuo elektronų.
Geležies jonų susidūrimai LHC yra daug rečiau nei protonų ir protonų susidūrimai, kai vienas mėnuo per metus skiriamas tokiam eksperimentui, tačiau tai nereiškia, kad jis nebuvo vaisingas. 2020 m. CERN mokslininkai sugebėjo sukurti kvarko-gliuono plazmą – materijos būseną, svarbią, nes ji egzistavo ankstyviausiomis visatos akimirkomis, netrukus po Didžiojo sprogimo.
Ekstremaliomis sąlygomis, susidariusiomis LHC, protonai ir neutronai, sudarantys švino jonus, „tirpsta“ procese, atlaisvindami kvarkus nuo ryšių su gliuonais. Stebėdami, kaip kvarko-gliuono plazma plečiasi ir vėsta, tyrėjams suteikiama užuomina apie tai, kaip palaipsniui iš jos atsirado dalelės, sudarančios visatą, nes ji taip pat vėso ir plėtėsi savo kūdikystėje.
Tokie tyrimai taip pat būtini norint suprasti vienos iš keturių pagrindinių visatos jėgų – stipriosios branduolinės jėgos – sąveiką. Ši disciplina, žinoma kaip kvantinė chromodinamika (QCD), apibūdina kvarkų ir gliuonų sąveiką.
LHC nėra pirmasis aparatas, atkartojantis šią materijos būseną, tačiau jis pagerina ankstesnes pastangas, sukurdamas karštesnę, tankesnę ir ilgesnio gyvenimo trukmę kvarko-gliuono plazmą, leidžiančią fizikai tyrinėti šią materijos būseną beprecedenčiai išsamiai.
Kvarkai ir gliuonai paprastai randami tik kitose dalelėse, tokiose kaip protonai ir neutronai. Jie laisvai egzistuoja tik esant neįtikėtinai didelei energijai, tokiai, kokia egzistavo ankstyvojoje visatoje, kai ji buvo neįtikėtinai karšta ir tanki, kol dėl infliacijos ji išsiplėtė ir atvėso.
Naudodami LHC ALICE detektorių greitintuve, tyrėjai galėjo įvertinti kvarko-gliuono plazmos temperatūrą, naudodamiesi šios materijos būsenos skleidžiamais fotonais, ne tik nustatydami jos energijos tankį, ir abu rezultatai buvo didesni nei ankstesni vertinimai. CERN mokslininkai taip pat galėjo panaudoti šios tankios karštos medžiagos „sriubos“ sukurtas daleles, kad ištirtų jos formą ir kitas savybes.
Dėl LHC patobulinimų ALICE detektorius, pagrindinis instrumentas, matuojantis daleles, susidarančias po sunkiųjų jonų susidūrimų, sulaukė didžiulio postūmio.
3-iojo paleidimo metu CERN tikisi, kad ATLAS ir CMS eksperimentai sukels daugiau susidūrimų nei per kitus du veikimo laikotarpius kartu, o LHCb susidūrimų skaičius padidės tris kartus. Poveikis ALICE bus dar intensyvesnis, šis detektorius ateityje galės išmatuoti iki 50 kartų daugiau sunkiųjų jonų susidūrimų nei anksčiau.
Daugiau susidūrimo įvykių reiškia, kad sukuriama daugiau kvarko-gliuono plazmos ir ilgiau išliekanti šios pirminės materijos būsena bei suteikiama daugiau duomenų, leidžiančių tyrinėti ankstyvosios visatos sąlygas.
„Ateinantis dešimtmetis LHC suteiks daug galimybių toliau tyrinėti kvarko-gliuono plazmą“, – sakė ALICE eksperimento atstovas Luciano Musa. CERN pranešimas spaudai. „Numatomas dešimt kartų padidės švino ir švino jonų susidūrimų skaičius turėtų padidinti žinomų terpės zondų matavimų tikslumą ir suteikti mums prieigą prie naujų zondų. Be to, planuojame ištirti susidūrimus tarp lengvesnių branduolių, kurie galėtų dar labiau atskleisti terpės prigimtį.