Wielki Zderzacz Hadronów powraca w poszukiwaniu nowej fizyki

Gotowi, stabilni, do startu: wyścig o odkrycie nowej fizyki powraca dzisiaj, gdy Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) zostaje ponownie zapalony, wystrzeliwując w siebie nawzajem ciężkie cząstki jonowe z 99,99% prędkością światła, aby odtworzyć stan pierwotnej materii, którego nie widziano od zaraz po Wielkim Wybuchu. Wielki Zderzacz Hadronów to najdłuższy i najpotężniejszy na świecie akcelerator cząstek, który wystrzeliwuje wiązki cząstek subatomowych wokół 27-kilometrowej pętli pod ziemią w pobliżu Genewy, na granicy francusko-szwajcarskiej. Odkąd LHC pierwotnie pojawił się w Internecie w 2010 roku, jego eksperymenty zaowocowały 3000 prac naukowych, z szeregiem odkryć, w tym najsłynniejszym ze wszystkich: odkryciem bozonu Higgsa.

Naprawdę prawdą jest stwierdzenie, że dokonujemy odkryć co tydzień.powiedział Chris Parkes, rzecznik eksperymentu LHCb na konferencji prasowej pod koniec czerwca.

Nowa technologia

Akcelerator cząstek spędził ostatnie trzy i pół roku, otrzymując istotne ulepszenia technologiczne, które umożliwią mu rozbijanie wiązek cząstek o rekordowej energii 6,8 biliona elektronowoltów (TeV) w zderzeniach, które osiągną niespotykaną dotąd wartość 13,6 TeV. To o 4,6% więcej niż w październiku 2018 r. Większa częstotliwość zderzeń cząstek, lepsza niż kiedykolwiek możliwość gromadzenia danych i zupełnie nowe eksperymenty utorują naukowcom drogę do prowadzenia nauki poza bozonem Higgsa, a być może nawet poza obecny Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych.

W 2020 roku w LHC zainstalowano nowe urządzenie, Linear Accelerator (Linac) 4. Zamiast wstrzykiwać protony do układu, jak poprzednio, Linac 4 wzmocni ujemnie naładowane jony wodoru, które są protonami, którym towarzyszą dwa elektrony. Gdy jony przemieszczają się przez Linac 4, elektrony są usuwane, pozostawiając tylko protony, a przeplatanie się tych jonów umożliwia tworzenie ciaśniejszych wiązek protonów. Powoduje to wystrzeliwanie węższych wiązek protonów przez zderzacz, zwiększając częstotliwość zderzeń.

Być może jednak najważniejszym ulepszeniem technologicznym jest system, który uruchamia eksperymenty w LHC, aby rozpocząć zbieranie danych. Z badaniami naukowymi w dobie big data, jeszcze większym problemem staje się to, jak rozróżnić, które dane warto rejestrować i analizować. „Mamy 14 milionów przejść wiązek na sekundę”, powiedział Parkes. Każde przejście wiązki powoduje zderzenie wiązek cząstek.

Wcześniej wydobycie użytecznych informacji ze wszystkich tych kolizji pozostawiono konwencjonalnemu sprzętowi i intuicji ludzkich badaczy, co skutkowało zarejestrowaniem tylko 10% kolizji wewnątrz LHC. Nowy system wyzwalania wykorzystuje uczenie maszynowe, aby szybciej analizować sytuację i być bardziej wydajnym przy zbieraniu danych do późniejszej analizy. Dzięki tej aktualizacji, na przykład, LHCb potroi swoją szybkość próbkowania, podczas gdy instrument ALICE (Eksperyment z dużym zderzaczem jonów) zwiększy liczbę zarejestrowanych zdarzeń 50-krotnie.

To oczywiście wielka sprawa.powiedział Luciano Musa, rzecznik ALICE, na konferencji prasowej.

Chociaż wciąż jest wiele do zrobienia, aby dowiedzieć się więcej o bozonie Higgsa, LHC jest w stanie zrobić znacznie więcej.

Mamy ambicję umieszczenia bozonu Higgsa w szerszym kontekście, a tego po prostu nie da się streścić w jednym czy dwóch pytaniach. Mamy więc bardzo szeroki program, który odpowiada na wiele pytań w fizyce cząstek elementarnych.powiedział podczas konferencji prasowej Gian Guidice, szef wydziału fizyki teoretycznej w CERN.

Dwa nowe detektory zainstalowane podczas niedawnego wyłączenia LHC to FASER (eksperyment poszukiwań w przód) oraz SND (detektor rozpraszania i neutrin). FASER będzie poszukiwał cząstek lekkich i słabo oddziałujących, w tym neutrin i możliwej ciemnej materii, podczas gdy SND skupi się wyłącznie na neutrinach. Neutrina są nieuchwytnymi, podobnymi do duchów cząsteczkami, które prawie nie wchodzą w interakcję z czymkolwiek innym wokół siebie — sztabka ołowiu o grubości roku świetlnego zatrzymałaby tylko połowę neutrin przechodzących przez nią — a biliony z nich przechodzą nieszkodliwie przez twoje ciało w każdej sekundzie . Biorąc to pod uwagę i pomimo wiedzy naukowców, że zderzenia wewnątrz LHC powinny regularnie wytwarzać neutrina, nigdy nie wykryto neutrin wytworzonych w akceleratorze cząstek (neutrina obserwowane przez poprzednie detektory neutrin pochodzą głównie ze Słońca). Jednak ma się to zmienić, ponieważ FASER i SND mają wykryć prawie 7000 zdarzeń neutrin między nimi w ciągu najbliższych czterech lat.

Na pierwszy rzut oka FASER i SND nie wyglądają jak detektory neutrin. Te wydają się być ogromne, jak na przykład zbiornik ze stali nierdzewnej detektora Super Kamiokande w Japonii, który zawiera 50 000 ton czystej wody, lub obserwatorium neutrin IceCube na biegunie południowym, które ma czujniki umieszczone w odległości 0,6 mili sześciennej (jeden kilometr sześcienny). ) lodu pod powierzchnią. Zamiast tego FASER ma tylko 5 stóp (1,5 metra) długości, a SND jest tylko trochę większy przy 8 stopach (2,4 metra). Zamiast ogromnych objętości płynu lub lodu, wyposażone są w proste detektory wolframu i błony emulsji, podobne do starych klisz fotograficznych.

FASER i SND są w stanie ujść na sucho, ponieważ „LHC wytwarza ogromną liczbę neutrin, więc potrzeba mniej masy w detektorze, aby niektóre z nich weszły w interakcje, a neutrina wytwarzane w zderzeniach LHC są niezwykle wysokie energii, a prawdopodobieństwo interakcji rośnie wraz z energią” – powiedział Space.com Jamie Boyd, rzecznik FASER.

FASER znajduje się 1500 stóp (480 metrów) poniżej eksperymentu ATLAS, w nieużywanych tunelach, które kiedyś były częścią poprzednika LHC, Wielkiego Zderzacza Elektron-Pozytron. Eksperymenty FASER i SND uzupełniają się — FASER to huk na linii wiązki, podczas gdy SND jest pod kątem. W ten sposób są w stanie wykryć neutrina o różnej energii pochodzące z różnych zderzeń cząstek. Większość neutrin przejdzie niezauważona podczas tych dwóch eksperymentów, ale niewielka ich liczba będzie oddziaływać z atomami w gęstych warstwach wolframu, powodując rozpad neutrin i produkcję cząstek potomnych, które pozostawiają ślady w emulsji zwane wierzchołkami, które wskazują położenie neutrina. interakcja. Co trzy lub cztery miesiące folia emulsyjna jest usuwana i wysyłana do laboratorium w Japonii do kontroli. Już mały prototyp wykrył kandydatów na neutrina, ale prototyp był zbyt mały, aby móc potwierdzić pomiary.

Głównym wynikiem, którego szukamy, jest to, co nazywamy przekrojem. To opisuje, w jaki sposób, jako funkcja ich energii, trzy rodzaje neutrin – elektronowe, mionowe i tanowe – oddziałują wzajemnie.powiedział Boyd.

Te różne rodzaje lub „smaki” neutrin są w stanie oscylować jeden w drugim podczas podróży na duże odległości. Na przykład neutrino może rozpocząć się jako neutrino mionowe, zanim oscyluje w neutrino elektronowe. W LHC odległość między detektorami neutrin a źródłem zderzeń w LHC jest zbyt mała, aby spodziewać się jakichkolwiek oscylacji, chyba że w grę wchodzi nowa cząstka.

Gdybyśmy zobaczyli więcej neutrin elektronowych i mniej neutrin mionowych, niż się spodziewamy, może to wskazywać, że istnieje dodatkowy typ neutrina, zwany neutrinem sterylnym, który powoduje te oscylacje.powiedział Boyd.

Na razie sterylne neutrina pozostają hipotetyczne, a znalezienie na nie dowodów byłoby poważnym odkryciem.

Nowe teorie

Mówiąc o odkryciach, podczas gdy LHC został wyłączony z powodu najnowszych ulepszeń, analiza danych ze starego akceleratora cząstek Tevatron w Fermilab w USA, który został zamknięty w 2011 roku, ujawniła kuszącą wskazówkę dotyczącą fizyki działającej poza Modelem Standardowym. W szczególności Tevatron znalazł dowody na to, że cząstka bozonu W, która bierze udział w pośredniczeniu słabego oddziaływania, które rządzi radioaktywnością, może być masywniejsza niż przewiduje Model Standardowy. W międzyczasie pojawiły się ciekawe odczyty z LHC i Tevatron dotyczące zachowania elektronów i mionów, które, jeśli są prawdziwe, mogą zaprzeczyć przewidywaniom Modelu Standardowego. Na LHC spoczywa teraz obowiązek dalszych badań.

Jednak naukowcy z LHC nie chcą wyciągać pochopnych wniosków na temat tej lub jakiejkolwiek innej rozbieżności w stosunku do Modelu Standardowego. Zamiast tego wolą pozostać agnostykami, jeśli chodzi o różne teorie na temat tego, co obserwuje LHC, aby uniknąć zniekształcania wyników.

Nie biegamy za teorią. Myślę, że naszym celem jest zrozumienie, jak działa natura na najbardziej podstawowym poziomie. Naszym celem nie jest szukanie konkretnych teorii.powiedziała na konferencji prasowej Fabiola Gianotti, dyrektor generalna CERN.

Chris Parkes jest optymistą, że LHC może dotrzeć do sedna tych rozbieżności w taki czy inny sposób. „Bardzo oczekujemy, że na podstawie nowych danych, które zbieramy, będziemy mogli naprawdę zbadać te interesujące wskazówki, które mamy, i zobaczyć, czy pokazują one jakiekolwiek naruszenia Modelu Standardowego” – powiedział.

Nie ma pośpiechu. Po tej nowej czteroletniej obserwacji prowadzonej przez LHC nastąpi kolejne wyłączenie z powodu dalszych ulepszeń, które zaowocują tak zwanym LHC o wysokiej jasności. Rozpocznie on pracę około 2029 roku, wykrywając ponad 15 milionów bozonów Higgsa rocznie z energii zderzeń 14 TeV. Poza LHC szykują się plany na zupełnie nowy akcelerator w CERN o nazwie Future Circular Collider (FCC), który będzie wystarczająco silny, aby osiągnąć energię 100 TeV, gdy zacznie działać około 2040 roku. FCC byłby znacznie większy niż LHC , z tunelem o długości 100 km, chociaż koncepcja ta wzbudziła ostatnio kontrowersje wśród niektórych fizyków, którzy twierdzą, że jego ewentualna cena 100 miliardów dolarów nie byłaby warta korzyści z jej budowy i że pieniądze można by mądrzej wydać na mniejsze , bardziej skoncentrowane projekty.

To wszystko jeszcze w przyszłości. Tu i teraz LHC wciąż ma do wytworzenia bozony Higgsa, neutrina do wykrycia, nowe cząstki do znalezienia i teorie do przetestowania. O jakich nowych odkryciach będziemy rozmawiać za cztery lata?

info: Space.com

______________________
Spodobał Ci się wpis ? To postaw kawę
Postaw mi kawę na buycoffee.to