Pokud se částečtí fyzici dostanou na cestu, mohou nové urychlovače jednoho dne zkoumat nejzajímavější subatomickou částici ve fyzice, Higgsův boson. Šest let po objevení této částice u velkého Hadrona Collidera plánují fyzici obrovské nové stroje, které se v Evropě, Japonsku nebo Číně protáhnou desítky kilometrů.
Noví srážci: co budou
Objev této subatomické částice, která odhaluje původ hmoty, vedl k dokončení standardního modelu, zastřešující teorie fyziky částic. A stal se také mezníkovým úspěchem pro LHC, v současné době největší světový urychlovač - koneckonců byl postaven pro hledání Higgsova bosonu, i když nejen.
Nyní se fyzici chtějí ponořit hlouběji do tajemství Higgsova bosonu v naději, že to bude klíč k vyřešení dlouhotrvajících problémů částicové fyziky. "Higgs je speciální částice," říká fyzik Yifang Wang, ředitel Ústavu pro fyziku vysokých energií v Pekingu. "Věříme, že Higgsové jsou oknem do budoucnosti."
Velký Hadron Collider, známý také jako LHC, sestávající z 27 kilometrů dlouhého prstence, uvnitř kterého protony zrychlují téměř na rychlost světla a srazí miliardykrát za sekundu, téměř dosáhl svého limitu. Při hledání Higgse odvedl vynikající práci, ale není vhodný pro podrobný výzkum.
Fyzikové částic proto vyžadují nového srážce částic speciálně navrženého ke spuštění hromádek Higgsových bosonů. Pro tyto nové výkonné stroje bylo navrženo několik návrhů a vědci doufají, že tyto továrny v Higgsu pomohou najít řešení do očí bijících slabin standardního modelu.
Propagační video:
„Standardní model není úplnou teorií vesmíru,“říká experimentální částicová fyzik Galina Abramovich z Tel Aviv University. Tato teorie například nevysvětluje temnou hmotu, neidentifikovanou látku, jejíž hmotnost je potřebná pro vysvětlení kosmických pozorování, jako je pohyb hvězd v galaxiích. To také nedokáže vysvětlit, proč je vesmír vyroben z hmoty, zatímco antihmota je extrémně vzácná.
Zastáncové nových kolizorů tvrdí, že pečlivé studium Higgsova bosonu by mohlo vědcům ukázat cestu k vyřešení těchto záhad. Ale mezi vědci touhu po nových drahých urychlovačích nepodporují všichni. Navíc není jasné, co přesně takové stroje lze najít.
Další v řadě
První v řadě je mezinárodní lineární srážka v severním Japonsku. Na rozdíl od LHC, ve kterém se částice pohybují v kruhu, zrychluje MLC dva paprsky částic v přímé linii, přímo na sobě, po celé své délce 20 kilometrů. A místo toho, aby tlačil protony dohromady, tlačí elektrony a jejich antihmotové partnery, pozitrony.
V prosinci 2018 se však mezioborový výbor Japonské vědecké rady postavil proti projektu a naléhal na vládu, aby byla s jeho podporou opatrná a přemýšlela, zda očekávaný vědecký pokrok odůvodňuje náklady na srážce, které se v současné době odhaduje na 5 miliard USD.
Zastáncové argumentují, že MLK plán srazit elektrony a pozitrony, spíše než protony, má několik hlavních výhod. Elektrony a pozitrony jsou elementární částice, to znamená, že nemají menší složky a protony jsou složeny z menších částic - kvarků. To znamená, že protonové srážky budou chaotičtější a vytvoří zbytečnější trosky částic, které bude nutné prosévat.
Kromě toho se při srážkách protonů pouze část energie každého protonu skutečně dostane do srážky, zatímco v elektron-pozitronových srážkách částice přenášejí celkovou energii do srážky. To znamená, že vědci mohou vyladit kolizní energii tak, aby maximalizovali počet vyrobených Higgsových bosonů. Současně bude MLK vyžadovat pouze 250 miliard elektronových voltů k výrobě Higgsových bosonů, ve srovnání s 13 biliony elektronových voltů v LHC.
V MLK „kvalita dat bude mnohem lepší,“říká Lyn Evans z ČERN v části Ženeva. Jedna ze každých 100 srážek v MLK vytvoří Higgsův boson, zatímco v LHC se to stane jednou za každých 10 miliard srážek.
Očekává se, že japonská vláda rozhodne o srážce v březnu. Evans říká, že pokud bude MLK schválen, bude trvat asi 12 let, než se sestaví. Později lze urychlovač také vylepšit, aby se zvýšila energie, kterou může dosáhnout.
CERN plánuje postavit podobný stroj, Compact Lineární Collider (CLIC). Bude také srážet elektrony a pozitrony, ale při vyšších energiích než MLK. Jeho energie začne u 380 miliard elektronových voltů a v sérii aktualizací vzroste na 3 biliony elektronových voltů. Pro dosažení těchto vyšších energií je třeba vyvinout novou technologii urychlování částic, což znamená, že CLIC se neobjeví před MLK, říká Evans, který vede výzkumnou spolupráci na obou projektech.
Běží v kruhu
Další dva plánovaní srážci, v Číně a Evropě, budou stejně kulatí jako LHC, ale mnohem větší: každý s obvodem 100 kilometrů. Je to dostatečně velký kruh, aby obklíčil Lichtenštejnsko dvakrát. To je prakticky délka Moskevského okruhu.
Kruhový elektronový pozitronový srážka, jehož staveniště v Číně dosud nebylo stanoveno, srazí 240 miliard elektronových elektronů a pozitronů podle koncepčního plánu, který byl oficiálně představen v listopadu a sponzoruje Wang a Institut pro vysokou energetickou fyziku. Tento urychlovač by mohl být později upgradován tak, aby se střetly vysoce energetické protony. Vědci tvrdí, že do roku 2022 by mohli začít vyrábět tento stroj ve výši 5–6 miliard dolarů a dokončit jej do roku 2030.
A v CERNu bude postupně fungovat i navrhovaný budoucí cirkulační kluzák, BKK, který bude srážet elektrony s pozitrony a později protony. Konečným cílem bude dosažení srážky protonů při 100 bilionech elektronových voltů, což je více než sedminásobek energie LHC.
Mezitím vědci odstavili LHC na dva roky a vylepšili stroj tak, aby pracoval na vyšší energii. V roce 2026 začne LHC s vysokou svítivostí, což zvýší frekvenci protonových srážek nejméně pětkrát.
Higgsův portrét
Když byl LHC postaven, vědci byli dostatečně sebevědomí, aby s ním našli Higgsův boson. U nových strojů však není jasné, jaké nové částice hledat. Budou jednoduše katalogizovat, jak silně interaguje Higgs s jinými známými částicemi.
Měření Higgsových interakcí může potvrdit očekávání standardního modelu. Pokud se však pozorování liší od očekávání, může nesoulad nepřímo naznačovat přítomnost něčeho nového, jako jsou částice, které tvoří temnou hmotu.
Někteří vědci doufají, že se stane něco neočekávaného. Protože Higgsův boson sám o sobě je záhadou: tyto částice kondenzují v tekutinu podobnou melasě. Proč? Nemáme tušení, říká teoretik částic Michael Peskin ze Stanfordské univerzity. Tato tekutina prostupuje vesmírem, zpomaluje částice a dává jim váhu.
Další záhadou je, že Higgsova hmota je o milion miliard méně, než se očekávalo. Tato zvláštnost může naznačovat, že existují i jiné částice. Vědci si dříve mysleli, že dokážou odpovědět na Higgsův problém pomocí supersymetrické teorie - souhlásky, jejíž každá částice má těžšího partnera. To se však nestalo, protože LHC nenalezlo žádné stopy supersymetrických částic.
Budoucí srážky mohou stále najít důkazy supersymetrie nebo jiného náznaku u nových částic, ale tentokrát vědci nedají sliby. Nyní jsou více zaneprázdněni vývojem priorit a argumenty ve prospěch nových kolizérů a dalších experimentů ve fyzice částic. Jedno je jisté: navrhované urychlovače prozkoumají neznámé území s nepředvídatelnými výsledky.
Ilya Khel