Didžiojo hadronų greitintuvo „penktosios fizikos jėgos“ medžioklė prasidėjo


2012 m. Didysis hadronų greitintuvas rado kažką, apie ką visi jau žinojo, kad ten bus.

LHC atradęs Higso bozoną pagrįstai sulaukė dėmesio visame pasaulyje. Tačiau jo egzistavimą prieš 40 metų numatė britų fizikas Peteris Higgsas. Kad dalelių fizikos matematika veiktų turėjo būti tam tikros masės dalele, bozonu.

Ir LHC buvo pakankamai galingas, kad rastų tokios masės daleles. „Higso bozonas buvo miręs, – sako Andrius Pontzenas, UCL kosmologijos profesorius. „Jei nebūtume radę, būtų buvęs toks šokas, kad būtų buvę taip pat įdomu, kaip jį rasti.

Po dešimties metų LHC vėl buvo įjungtas trečią kartą. Jis buvo atnaujintas du kartus, nes pirmą kartą buvo įjungtas praėjusio dešimtmečio pradžioje. Jo spinduliai yra labiau sufokusuoti, todėl dalelės, kurias jis paleidžia aplink savo 20 mylių ruožą, šviesos greičiu atsitrenkia viena į kitą patikimiau, todėl surenkama daugiau duomenų.

Tačiau šį kartą mokslininkai nėra tokie įsitikinę, kad jis ras ką nors naujo. Dėlionėje netrūksta nė vieno akivaizdaus gabalo, kaip buvo su Higgsu. Tam tikra prasme dėlionė baigta. Bet tai nereiškia, kad nėra ko jaudintis.

Pontzenas sako, kad turi būti visiškai naujas dėlionės.

Drauge, kur mano visata

Jau labai seniai buvo akivaizdu, kad fizikoje trūksta smulkmenų. Abi mūsų pagrindinės teorijos – reliatyvumo teorija ir kvantinė teorija – yra nepaprastai sėkmingos. Reliatyvumas gali nepaprastai tiksliai apibūdinti labai didelių ir labai greitų elgseną, kaip šviesa lenkiasi aplink juodąsias skyles, kaip greitai judančio palydovo laikrodžiai tiksi šiek tiek lėčiau nei Žemės laikrodžiai. O kvantinė mechanika gali vienodai tiksliai numatyti labai mažų elgseną, pvz., kiek radioaktyviųjų medžiagų atomų suirs.

Bet jie negali kalbėti vienas su kitu. Kvantinė mechanika nagrinėja subatomines daleles ir jas valdančias jėgas – elektromagnetizmą, stipriąsias ir silpnąsias branduolines jėgas, laikančias atomus kartu. Reliatyvumas susijęs su gravitacija, jėga, kuri laiko planetas kartu. O kvantinėje mechanikoje gravitacijai vietos nėra.

Tai toli gražu ne vienintelis neteisingas dalykas. Tikriausiai esate girdėję apie „tamsiąją materiją“ ir „tamsiąją energiją“. Jie yra šiek tiek erzinantys terminai dalykų, kurių trūksta.

Kai žiūrime į galaktikas, matome, kad jos sukasi tam tikru greičiu. Tačiau mes taip pat žinome, kad žvaigždės, iš kurių jos pagamintos, sveria tam tikrą kiekį ir kad gravitacija yra tam tikra jėga. Trys skaičiai nesutampa. Visų tų žvaigždžių gravitacija nėra pakankamai stipri, kad sulaikytų galaktikas, jei jos taip greitai sukasi. Jie turėtų išsiskirti. Turi būti kažkas, kažkokia medžiaga, kuri juos laiko kartu. Fizikai tai vadina nežinomais dalykais Juodoji medžiaga.

Be to, visata plečiasi. Jį sugriovė Didysis sprogimas. Tačiau jis turėtų sulėtėti, nes gravitacija veikia prieš jį, kaip ir išmestas kamuolys ilgainiui pradės lėtėti ir nukris atgal į Žemę. Bet taip nėra. Dėl tam tikrų priežasčių visos galaktikos skrenda viena nuo kitos vis greitėjančiu greičiu. Turi kažkas jį stumti. Vėlgi, fizikai tai vadina nežinoma varomąja jėga tamsioji energija. Atrodo, kad tarp jų tamsioji energija ir tamsioji medžiaga sudaro apie 95 procentus visko visatoje.

Ir yra daugiau. Kodėl yra kažkas, o ne nieko? Kai buvo sukurta visata, materijos ir antimedžiagos (atrodo) buvo beveik vienodas kiekis. Antimedžiaga yra materijos veidrodis: yra elektronai (medžiaga) ir pozitronai (antimedžiaga); protonai (medžiaga) ir antiprotonai (antimedžiaga). Kai materija ir antimedžiaga susiliečia, jos sunaikina viena kitą. Pačioje visatos pradžioje būtent taip ir atsitiko – didžiuliai jų kiekiai, kurie buvo sukurti, sunaikino vienas kitą. Tačiau mūsų laimei, buvo nedidelis disbalansas: materijos buvo šiek tiek daugiau nei antimedžiagos. Kodėl? Kodėl ankstyvoji visata nebuvo simetriška?

Šiek tiek panašiai, pirmomis akimirkomis po Didžiojo sprogimo kosmosas buvo karšta energijos sriuba, beveik visiškai lygi. Tačiau buvo nedidelių variantų. „Atrodo, kad visata buvo labai arti uniformą“, – sako Pontzenas. “Bet ne visai.” Labai šiek tiek tankesnės bitelės turėjo šiek tiek didesnę gravitaciją, todėl jos traukė į save kitą medžiagą ir po šimtų milijonų metų suformavo galaktikas. Kodėl atsirado šie trūkumai? O kas lėmė keistą pačios erdvės plėtimąsi, vadinamą „kosmine infliacija“, ankstyvaisiais visatos gyvavimo metais?

Dalelių fizikos „standartiniame modelyje“ yra 17 dalelių – dalelių, kurias numato kvantinė mechanika ir kurias rado eksperimentiniai įrodymai. Jie sudaro materiją ir energiją, apie kurią mes žinome. Bet galbūt, jei būtų rasta viena ar daugiau naujų, tai būtų raktas į kai kurias likusias fizikos paslaptis.

Triuškinamos dalelės, Gromitai

Didelės energijos fizikos svajonė yra ta, kad mes galime tai padaryti nepaprastu greičiu sudaužydami daleles. Tai ir daro LHC.

Jis naudoja magnetus, kad pagreitintų du subatominių dalelių pluoštus 99,9999991 proc šviesos greičio, maždaug 7 myliomis per valandą mažesnis už pagrindinę Visatos greičio ribą. Tada sudaužo juos kartu.

Dalelių susidūrimai tokiu greičiu išskiria neįtikėtinus energijos kiekius, sunaikindamos pačias daleles. Tačiau įdomiausia yra tai, kad kartais jie taip pat kurti naujus. Garsiojoje Alberto Einšteino lygtyje E=mc2 – tai yra: energija lygi masės ir šviesos greičio kvadratui – jei gauni pakankamai energijos vienoje vietoje, ji sukuria naują materiją.

Kuo dalelė masyvesnė, tuo daugiau energijos reikia jai sukurti, ir tuo mažesnė tikimybė, kad ji atsiras. Santykinai mažas daleles galima pagaminti naudojant palyginti mažus greitintuvus, tačiau sunkesnėms dalelėms reikia daug daugiau.

Bėda ta, kad mažai tikėtina, kad bet kuris susidūrimas turės tikslų energijos kiekį, kad būtų sukurta tam tikra dalelė. Štai kodėl LHC sumuša daleles per milijardą susidūrimų per sekundę. Tada naudoja didžiuliai detektoriai ieškoti, kas iš jų išskrenda. Skirtingų subatominių dalelių audra, skrendanti į tuos detektorius, duoda triukšmingą signalą, tarsi klausantis tolimos radijo stoties per statinį ryšį: tačiau esant pakankamai susidūrimų, jei atsiranda netikėtų dalelių, ją galima pastebėti.

Ieškodami Higgso, fizikai užtikrintai tikėjosi, kad naujoji dalelė bus maždaug tam tikros masės. Tai palengvino paiešką: jie žinojo, kad, atsižvelgiant į tam tikrą susidūrimų skaičių tam tikru greičiu, jis beveik neabejotinai pasireikš.

Tomas Whyntiemedicinos fizikas iš Oksfordo universiteto, anksčiau dirbęs su LHC, teigia, kad LHC pirmtakas Didysis elektronų pozitronų greitintuvas (LEP) buvo beveik pakankamai galingas, kad jo ieškoti. „Kai LEP buvo uždarytas dešimtojo dešimtmečio pradžioje, – sako jis, – jie žinojo, kad turi sukurti LHC, nes žinojo, kokia yra Higgso masė, ir LHC tikrai ją suras. Kaip paaiškėjo, jis sako, kad Higgso masė buvo mažesnė nei tikėtasi, ir jie tikriausiai būtų galėję ją rasti naudodami LEP, jei būtų šiek tiek ją padidinę. „Jie būtų sutaupę daug darbo“, – sako jis.

Daugiau iš Mokslas

Incidentai ir nelaimingi atsitikimai, užuominos ir įtarimai

LHC magnetai buvo patobulinti nuo 2012 m. Jo spinduliai yra šiek tiek greitesni ir žymiai griežčiau sufokusuoti, todėl daugiau dalelių tuose pluoštuose susiduria ir esant didesnei energijai. Tai reiškia, kad jis gali ieškoti galimų dalelių, kurios yra šiek tiek didesnės už Higgsą.

Skirtingai nei 2012 m., nėra akivaizdaus tikslo, nėra akivaizdžiai trūkstamos dėlionės dalies. Bet, sako Jonas ButterworthasUCL fizikos profesorius, dirbantis su LHC atlaso detektoriumi, tai nereiškia, kad to daryti neverta.

„Dabar tai yra tyrinėjimas“, – sako jis. „Tai nėra taip, kaip su Higgsu, kur turėjome labai tvirtą prognozę. Yra daugybė atvirų klausimų, kurių standartinis modelis neatsako.

Jo metafora yra viena iš kraštovaizdžio. Didelės energijos fizikai tobulėjant, ji galėjo tyrinėti vis didesnius plotus – nauji greitintuvai gali ieškoti vis sunkesnių dalelių. „Ką mes darysime su LHC, tai ištirsime daugybę naujų teritorijų“, – sako jis. „Išplėskite sieną“.

Jis mano, kad nuo Higgso laikų fizikai per daug rūpinosi konkrečių taikinių paieška, „šiek tiek prisirišę prie to, ką mes bandome įrodyti ir paneigti“. „Man svarbiausia yra tyrinėjimas“, – sako jis. „Norime peržengti ribas, tyrinėti, ką gamta daro didžiausiomis energijomis ir mažiausiais masteliais. Ką rasime, mes nežinome.

Ir gali būti, kad jie nieko neranda. „Gali būti dalelė [with mass the LHC can find]“, – sako Whyntie. „Arba jis gali būti tūkstančius kartų didesnis ir mes niekada jo nerastume.

Tačiau yra priežasčių manyti, kad taip gali būti. LHC aptiko kad kai kurios dalelės, B-mezonai, netikėtu greičiu sudaro mažesnes daleles: „Kai kurie skilimo greičiai nesutampa taip, kaip turėtų“, – sako Butterworthas. Galbūt jie keistai išsiskiria, nes yra tam tikra jėga, kuri anksčiau nebuvo aptikta, be to, ką žinome.

Ir bet kuri fizikos jėga turi susijusią dalelę, kaip ir elektromagnetinę spinduliuotę, pavyzdžiui, šviesą, neša fotonas. „Penktoji jėga“ taip pat turėtų savo. „Mes galime paaiškinti tuos eksperimentinius įvykius, jei įklijuosite naują jėgos dalelę“, – sako Whyntie.

Yra ir kitų viliojančių užuominų. „Fermilab“ JAV atrodo, kad rado kad viena dalelė, W-bosonas, yra šiek tiek sunkesnė, nei prognozuoja standartinis modelis, o kita, miuonas, elgiasi netikėtai. “Šios mažos kvantinės anomalijos, kurios pasirodo, suteikia mums vilties, kad gali būti atsakymų”, – sako Butterworthas. „Jūs galite turėti tam tikrą netiesioginį jautrumą dalykams, kurie yra per dideli, kad galėtumėte juos aptikti“. Ir jie suteikia vilties, kad jei bus ką rasti, tai bus pakankamai lengva, kad rastų naujas, galingesnis LHC.

Mesti fiziką šunims; Aš to nedarysiu

Jei nieko neradote, tai nereiškia, kad LHC žlugo. Jis turi savo didelį, pavyzdinį atradimą – Higgsą, ir jau dešimtmetį tyliai užsiima ne tokia aukšto lygio, bet vis dėlto įdomia fizika. Apskritai fizika daro pažangą – „Pažvelkite į pastaruosius kelerius metus! sako Pontzenas. „Higsas, gravitacinės bangos; tikrai esminiai mūsų visatos aspektai, kurių neturėjome prieš 10 metų. Higgsas galėjo būti užtikrintai nuspėtas, bet vis tiek reikėjo jį rasti.

Ir LHC skatino inžineriją ir mokslą. Sukūrus itin galingus, tiksliai valdomus superlaidininkus, nukreipiančius jo spindulius, technologija buvo pritaikyta ir patobulinti magnetai, naudojami sintezės reaktoriams valdyti. „Tai neveikia atskirai“, – sako Butterworthas. „Tai yra mokslo ir technologijų ekosistemos, kuri maitinasi pati, dalis.

Tačiau nors naujausi atnaujinimai nėra paskutiniai – komanda jau ruošia dirvą kitam etapui – LHC tikriausiai taip ir nepajėgs pasiekti masinio kraštovaizdžio. „Manau, kad tai paskutinė galimybė LHC“, – sako Whyntie, – „prieš jums reikia iš esmės ieškoti paradigmos poslinkio susidūrimo technikoje, kad žengtumėte kitą žingsnį energijos srityje“.

Atsiranda naujų idėjų – jis mini plazmos generatorius, galinčius generuoti neįtikėtiną temperatūrą. „Bus įdomu pamatyti, kaip tai žaidžiama, kalbant apie tai, kur eisime toliau“, – sako Whyntie. „Tai paskutinis dabartinės formos LHC kauliukų metimas, tačiau tai geras ir įdomus žaidimas.