Kraujuojantis fizikos kraštas slypi subatominių dalelių pluošte, skriejančiame ratu labai artimu šviesos greičiui požeminiame tunelyje Centrinėje Europoje. Tas spindulys taip pat greitai atsitrenkia į kitas lenktynes kita kryptimi. Dėl susidariusio susidūrimo susidaro daugybė kitų dalelių, kurias detektoriai užfiksuoja prieš joms sumirksėjus.
Tai yra standartinė didžiojo hadronų greitintuvo (LHC) procedūra, kuri neseniai įsijungė pirmą kartą nuo 2018 m., o jo spinduliai dabar yra galingesni nei bet kada. LHC, esantis Europos branduolinių tyrimų organizacijoje (CERN) netoli Ženevos, yra didžiausias pasaulyje dalelių greitintuvas: mamuto mašina, kuri tiesiogine prasme sudaužo subatomines daleles ir leidžia mokslininkams stebėti, kaip išspjauna kvantinių šiukšlių fontanas.
Tai gali atrodyti be reikalo žiauru fizikos eksperimentui, tačiau fizikai turi rimtą priežastį naikinti. Tų susidūrimų metu fizikai gali nulupti mūsų visatos sluoksnius, kad pamatytų, kas verčia ją tiksėti mažiausiais masteliais.
Fizikai už mašinos
„Didysis“ LHC pavadinime nėra perdėtas: susidūrėjas nupjauna 17 mylių ilgio magnetinę kilpą, esančią visiškai po žeme, po Ženevos priemiesčiais abiejose nuskeltos Prancūzijos ir Šveicarijos sienos (CERN būstinės namai) pusėse. šešėliai prie rytinių Prancūzijos Juros kalnų šlaitų ir vėl atgal.
Tokio koloso surinkimas užtruko. Pirmą kartą pasiūlytas devintajame dešimtmetyje ir patvirtintas 1990-ųjų viduryje. LHC statyba truko daugiau nei dešimtmetį, kol jo spindulys pirmą kartą buvo įjungtas 2008 m. 4,75 mlrddaugiausia gaunama iš įvairių Europos vyriausybių iždo.
LHC suvartoja pakankamai elektros energijos valdyti mažą miestą. Dar prieš dabartinius atnaujinimus LHC eksperimentavo pagaminta petabaitą duomenų per dieną, kurio užtenka daugiau nei 10 000 4K filmų – ir tai po to CERN kompiuterių tinklas išfiltravo perteklių. Šie duomenys praeina per tūkstančių mokslininkų kompiuterius iš visų pasaulio kampelių, nors kai kuriose pasaulio vietose yra geriau atstovaujami nei kiti.
[Related: The biggest particle collider in the world gets back to work]
Fizikams bandant atsakyti į svarbiausius visatos klausimus, laikas, pinigai ir žmonių galia toliau liejasi į susidūrimo įrenginį.
Pavyzdžiui, kas lemia masės egzistavimą? Padėti atsakyti į šį klausimą iki šiol buvo vienas viešiausių LHC triumfų. LHC mokslininkai 2012 m paskelbė ilgai ieškotos dalelės, žinomos kaip Higso bozonas, atradimas. Bozonas yra lauko produktas, kuris dalelėms sąveikaujant su lauku suteikia toms dalelėms masę.
Higso bozono atradimas buvo paskutinė plyta sienoje, žinoma kaip Standartinis modelis. Tai šiuolaikinės dalelių fizikos šerdis, schema, kurioje išdėstyta apie keliolika subatominių dalelių ir kaip jos gražiai dera tarpusavyje, kad susidarytų mūsų matoma visata.
Tačiau su kiekvienais metais standartinis modelis atrodo vis netinkamesnis atsakyti į pagrindinius klausimus. Kodėl visatoje materijos daug daugiau nei antimedžiagos, jos priešingybės? Kas sudaro didžiulė mūsų visatos dalis tai atrodo nematoma ir nematoma? Ir kodėl egzistuoja gravitacija? Atsakymai nėra paprasti.
Atsakymai gali būti dar neatrastų dalelių pavidalu. Tačiau iki šiol jie išvengė net galingiausių dalelių susidūrimo įrenginių. „Iki šiol LHC neradome jokių nestandartinio modelio dalelių“, – sako Finnas Rebassoo, dalelių fizikas iš Lawrence’o Livermore’o nacionalinės laboratorijos Kalifornijoje ir LHC bendradarbis.
Begemoto atnaujinimas
Nors COVID-19 pandemija sutrikdė LHC atnaujinimą (tai buvo iš pradžių numatyta 2020 m.), susidūrimo įrenginio valdytojai nesėdėjo be darbo nuo 2018 m. Atlikdami daugybę techninių atnaujinimų, jie padidino susidūrimo įrenginio spindulį, padidindami jo energiją maždaug 5 procentais.
Tai gali atrodyti nereikšminga (ir tai tikrai nublanksta prieš planuotą Didelio šviesumo LHC atnaujinkite vėliau šį dešimtmetį, o tai padidins susidūrimų skaičių). Tačiau mokslininkai teigia, kad tai vis tiek skiriasi.
„Tai reiškia, kad padidėja tikimybė sukurti įdomią fiziką“, – sako Elizabeth Brost, dalelių fizikė iš Brookhaven nacionalinės laboratorijos Long Ailende ir LHC bendradarbė. „Kaip asmeninis mėgstamiausias pavyzdys, dabar sulauksime 10 procentų daugiau įvykių su Higso bozonų poromis.
Standartiniame modelyje teigiama, kad suporuoti Higso bozonai turėtų būti labai retas atvejis – ir galbūt taip yra. Tačiau jei LHC sukuria daug porų, tai yra ženklas, kad žaidžia kažkas dar neatrasta.
„Tai yra abipusiai naudinga situacija: arba mes netrukus stebėsime Higgso porų susidarymą, o tai reiškia naują fiziką“, – sako Brostas, „arba galiausiai galėsime patvirtinti standartinio modelio prognozę naudodami visą LHC duomenų rinkinį.
Patobulinimai taip pat suteikia galimybę stebėti dar niekada nematytus dalykus. „Kiekviena papildoma smulkmena suteikia daugiau galimybių rasti naujų reiškinių“, – sako Bo Jayatilaka, Čikagos priemiesčio Fermilab dalelių fizikas ir LHC bendradarbis.
Ne taip seniai atsirado vienas potencialus penas stebėjimui – ne iš CERN, o iš seno, dabar uždaryto greitintuvo Fermilab mieste, už Čikagos. Tyrėjai, tyrinėję senus duomenis, nustatė, kad W bozonas, dalelė, atsakinga už radioaktyvų skilimą atomų viduje, atrodė, kad turėjo sunkesnė masė nei tikėtasi. Jei tai tiesa, standartinis modelis gali būti visiškai atidarytas.
Natūralu, kad dalelių fizikai nori įsitikinti, kad tai tiesa. Jie jau planuoja pakartoti tą W bozono matavimą CERN su duomenimis, surinktais iš ankstesnių eksperimentų, ir su naujais duomenimis iš dar būsimų eksperimentų.
Tikėtina, kad prireiks laiko, kol LHC pradės veikti visiškai. „Paprastai, kai LHC paleidžiamas iš naujo, iš naujo paleidžiama lėtai, o tai reiškia, kad pirmaisiais metais duomenų kiekis nėra toks didelis, kaip vėlesniais metais“, – sako Rebassoo. Ir net tų duomenų analizavimas užtrunka, net ir didžiulėms mokslininkų masėms, dirbančioms su greitintuvu.
Tačiau vos 2023 m. pamatysime rezultatus – pasinaudodami naujai atrastu greitintuvo energijos padidėjimu, spėlioja Jayatilaka.