Novým projektem CERNu je vybudovat mechanismus, který bude téměř čtyřikrát větší než největší existující zařízení. Ale co přesně to je?
Large Hadron Collider (LHC) je patrně jedním z nejzáhadnějších zařízení na světě. Nachází se v kruhovém tunelu dlouhém 27 kilometrů na hranici mezi Francií a Švýcarskem a jeho hlavním úkolem je srážet nejmenší částice vesmíru.
Tento mechanismus se stal slavným po celém světě v roce 2012, kdy CERN (Evropská organizace pro jaderný výzkum) oznámila objev bosonu Higgs. Teorie existence této elementární částice se objevila před mnoha desítkami let, matematické výpočty za standardním modelem elementárních částic předpokládaly, že existuje, ale nikdo ji nemohl opravit před experimentem na LHC.
A teď CERN mluví o plánech do budoucna. Od roku 2009 se prováděly experimenty s pomocí LHC s přerušením aktualizace mechanismu. Nyní jen taková přestávka a LHC bude znovu spuštěno v roce 2021, po kterém bude fungovat ještě několik desetiletí.
Existující projekty jsou však tak ambiciózní, že CERN diskutuje o návrhu na vybudování nástupce LHC již několik let. A nyní jsou zaměstnanci organizace připraveni vyprávět o své vizi budoucnosti.
Nyní nazvaný Future Circular Collider (FCC), byly plány na jeho výstavbu oznámeny v lednu 2019. BCC je mnohem větší a silnější než současný urychlovač. I když se jedná pouze o plán, nebyl dosud přijat. Pokud je plán implementován, začnou experimenty na BCC ve 40. letech 20. století.
Podle CERN budou celkové náklady na výstavbu činit jen něco málo přes 200 miliard korun (více než 1,5 bilionu rublů - přibližně Transl.). Členské země organizace budou projekt financovat několik desetiletí. Norsko je jednou z 22 členských zemí CERN a v roce 2019 přispěje přibližně 240 miliony korun (přes 1,8 miliardy rublů).
Propagační video:
Ale proč potřebujeme nový urychlovač částic, čeho vědci doufají, že s ním dosáhne?
Dlouhý tunel
LHC je položen ve stejném tunelu jako předchozí urychlovač částic, byla zde umístěna pouze nová náplň. Práce předchozího zařízení byla zkrácena v roce 2000.
Ale pro BCC bude postaven zcela nový tunel dlouhý 100 kilometrů. V důsledku zvýšené délky urychlovače částic se částice srazí s mnohem větší silou.
"Kolize malých kusů hmoty s velkou silou byla po sto let pravděpodobně nejdůležitější experimentální metodou pro studium struktury a složení hmoty," říká Anders Kvellestad, částicový fyzik v Imperial College London.
Ve skutečnosti plán CERN vyžaduje konstrukci několika zařízení ve stejném tunelu, který bude umístěn jeden po druhém. První mechanismus srazí elektrony a pozitrony a může být použit pro přesnější měření a výzkum, například Higgsův boson, o kterém dosud není vše známo.
Rovněž bude možné detekovat kvantové stopy zcela nových neznámých částic bez přímého pozorování.
Nová fyzika?
Kromě dalších experimentů zahrnujících srážky elektronů a jader atomů olova se později plánuje vybudovat velmi silný mechanismus, pomocí kterého se protony v tunelu srazí s protony.
"V částicové fyzice se kolize protonu s protonem podobá kladivům, zatímco kolize elektronu s pozitronem lze přirovnat k malému geologickému kladivu." První dává větší sílu, zatímco druhý je přesnější. “
Síla samotného svazku částic se měří v teraelektronvoltech (TeV). LHC, dlouhý 27 kilometrů, zvládne 14 TeV, zatímco nový urychlovač vydrží výkon až 100 TeV.
Vyšší energie vám umožňují „nalákat“masivnější částice, které dříve nebyly pozorovány, a je možné, že výsledky takových experimentů poskytnou představu o zcela nové fyzice, vysvětluje Kvellestad.
Protože vesmír je stále plný věcí, kterým vědci nerozumí. Například neexistuje odpověď na otázku, jaká temná energie a temná hmota skutečně jsou, i když jsou v našem současném chápání vesmíru ústředními pojmy.
V moderní fyzice je také velký problém. Obecná teorie relativity a kvantového pole, která popisuje elementární částice, se neshodují. V současné době neexistuje žádné vysvětlení gravitace samotné, která se hodí do obou modelů.
Bez ohledu na to, jak se na to díváte, v porozumění vesmíru něco chybí. Nabízí se mnoho vysvětlení, ale vědci potřebují důkaz.
A fyzici doufali, že současný urychlovač částic LHC poskytne náznak nové fyziky. To se zatím nestalo, ale LHC bude fungovat ještě mnoho let.
"Nyní víme vše o některých malých, ale zajímavých rozporech mezi teorií a praxí ve stávajících datech." Proto očekávám, že výsledky dalšího kola práce LHC nám ukážou, zda jsou tyto nesrovnalosti způsobeny „novou fyzikou“, nebo jsou to jen statistické variace, “říká Kvellestad.
Existují však také pochybnosti o plánech na výstavbu nových urychlovačů částic.
Opravdu něco udělá?
Německá fyzik Sabine Hossenfelder je jednou z kritiků návrhu MCC. Napsala knihu o tom, jak je fyzika příliš znepokojena „krásou“rovnic.
Ve sloupci v The New York Times kritizuje projekt zejména za to, že CERN nabízí stejné sliby, které učinil před výstavbou LHC: najít temnou hmotu a objasnit původ vesmíru.
Problém je v tom, že takový výsledek nelze nijak zaručit, říká Hossenfelder. Fyzici si byli téměř jistí, že Higgsův boson najdou pomocí LHC, ale teď nemají žádné slibné cíle.
Supersymetrie je teorie, která předpovídala existenci několika různých částic, které by mohly zaplnit mezery ve standardním modelu, ale tyto částice nebyly v experimentech dosud dotčeny.
Hossenfelder tvrdí, že fyzika by prozatím měla prozkoumat další možnosti, a je lepší počkat s konstrukcí velkého urychlovače se zaměřením na to, proč se předpokládané částice neobjevily v LHC.
Máte-li zájem, můžete si přečíst více o kritice projektu na svém blogu. Také říká, že pokud je s pomocí LHC v příštích letech opravdu možné něco najít, může se obrázek změnit.
Základní výzkum
"Po objevení Higssova bosonu už nemáme žádné teoretické" záruky ", že najdeme nové částice v experimentech příští generace, - říká Anders Kvellestad. - Ale ve skutečnosti to jen znamená, že fyzika částic je pro základní výzkumný stav - když nikdo neví, co může být odhaleno v příštím experimentu. “
"V historii fyziky existuje několik příkladů objevů, které nikdo nepředvídal."
Kvellestad věří, že i když fyzici nesouhlasí s tím, co lze od těchto experimentů očekávat, nemělo by to být argumentem proti provádění velkých nových experimentů.
Díky novým urychlovačům částic budou vědci schopni lépe zkoumat a měřit již známé částice, uvedl Kvellestad.
Potřebujete vybudovat větší mechanismus, ale ne teď?
„Není pochyb o tom, že budoucnost výzkumu fyziky částic bude procházet větším mechanismem,“říká Bjørn Samset, výzkumný pracovník v Centru pro mezinárodní environmentální a klimatický výzkum Cicero. Školením pracoval ve fyzice elementárních částic a pracoval v CERNu.
"Jedinou otázkou je, zda je čas ji postavit, nebo je lepší prozatím se soustředit na jiné věci."
Rovněž věří, že fyzika by pravděpodobně měla větší užitek, pokud by nejprve byly podrobněji vyhodnoceny jiné projekty, což by mohlo pomoci lépe pochopit, co přesně nové zařízení může najít.
Samset uvádí jako příklad temnou hmotu.
"Mnozí doufali, že LHC bude mít dost energie k vytvoření částic, z nichž může být vyrobena temná hmota."
Bylo předloženo mnoho teorií a některé byly vyvráceny, ale mnohé je třeba ověřit. Otázkou je, zda by nebylo lepší se zaměřit na jiné metody, jako jsou speciální senzory, pomocí kterých můžete přímo zachytit temnou hmotu.
Pokud je BCC postavena, nedojde to brzy, ale Samset zdůrazňuje, že je velmi důležité tyto projekty projednat předem.
"Nebezpečí čekání je ztráta zkušeností." Technici v CERNu jsou skuteční kouzelníci, díky nimž urychlovač dělá neuvěřitelné věci. Pokud nyní nezačneme plánovat další projekt, mohlo by se ztratit mnoho těchto zkušeností. ““
Zároveň se domnívá, že zkušenosti lze předávat v rámci jiných projektů. Je však přesvědčen, že se budou stále stavět obrovské urychlovače.
"Takový mechanismus by měl být postaven a bude postaven, ale možná je ještě příliš brzy?"
Lasse Biørnstad