Što nadogradnja Velikog hadronskog sudarača znači za fiziku?


Dana 22. travnja 2022., duboko ispod francusko-švicarske granice u blizini Ženeve u Švicarskoj, dva snopa protona su se ubrzala oko 27-kilometarskog prstena sudarajući se i stvarajući pljusak sekundarnih čestica. Eksperiment nije ništa novo za CERN-ov Veliki hadronski sudarač (LHC). Zapravo, sudarajući se pri injekciji od 450 milijardi elektronvolti (450 GeV), eksperiment je znatno ispod snage koju ovaj najveći i najmoćniji akcelerator čestica čovječanstva može postići.

Ipak, fizičare je uzbudio upravo ono što ovaj skromni test LHC-a predstavlja. Test označava početak nove serije eksperimenata s LHC-om koji će sudariti čestice do energije od 13,6 trilijuna elektronvolti (TeV), što je najsnažniji sudar na akceleratoru do sada. A ovo je samo početak onoga što bi trebalo biti uzbudljivo novo razdoblje za fiziku čestica.

Ovo treće eksperimentalno razdoblje LHC-a – poznato kao Run 3 – dovest će do još jedne produžene pauze 2026. Tijekom trogodišnje pauze koja će trajati do 2029., LHC će doživjeti svoju najznačajniju transformaciju do sada — dovršavajući nadogradnju visoke svjetlosti koja je započela u 2018. Nakon toga, svjetlina LHC-a će se povećati za procijenjeni faktor od 10.

LHC dok je bio u isključenom načinu rada tijekom 2019. dok se nastavlja rad na nadogradnjama zbog kojih će najmoćniji svjetski akcelerator čestica postati još moćniji (Robert Lea)

Svjetlost LHC-a odnosi se na broj čestica koje je u stanju sudariti, a povećanje sudara znači povećanu šansu za uočavanje egzotične, dosad neviđene fizike. To znači da će rezultirajući akcelerator, Veliki hadronski sudarač visoke svjetline (HL-LHC) imati moć da ispita fiziku koja upravlja svemirom izvan onoga što je poznato kao Standardni model fizike čestica.

Izvan standardnog modela

Prikladno je samo da to bude LHC kojem se čovječanstvo okreće kako bi potražilo fiziku izvan Standardnog modela – najbolji opis čestica i interakcija koje upravljaju subatomskim svijetom koji imamo. Naposljetku, ovim golemim komadom aparata dovršen je ovaj model, prvi put osmišljen 1971. godine.

U srpnju 2012. u predavaonici u CERN-u u Švicarskoj objavljeno je otkriće Higgsovog bozona, detektirano LHC ATLAS i CMS eksperimentima. Bozon – čestica koja nosi silu – predstavlja posljednju česticu koju predviđa Standardni model. Tako je njegovo otkriće, koje bi 2013. godine dobilo Nobelovu nagradu za fiziku, predstavljalo završetak tog modela.

Nadalje, kao posrednička čestica takozvanog Higgsovog polja, Higgsov bozon je čestica koja je odgovorna za to da većini ostalih stanovnika čestice zoološki vrt dodijeli njihovu masu. To znači da je njegovo otkriće također označilo dugotrajno pitanje u fizici o tome kako većina čestica dobiva svoju masu.

Ipak, unatoč osjećaju konačnosti, kako ta izjava može sugerirati, ovo nipošto nije bio posljednji element fizike koji je trebalo otkriti. Postoje elementi fizike koji nisu opisani Standardnim modelom, poput prirode tamne tvari i onoga što neutrinima daje njihovu malu gotovo beznačajnu masu.

Isto tako, još uvijek ostaju pitanja vezana uz sam Higgsov bozon, koji nije baš čestica za koju se predviđalo da će postojati prije njegovog otkrića.

LHC je sada u poziciji da počne istraživati ​​ta pitanja i dugotrajne zagonetke.

Slika koja prikazuje očekivani broj sudara protona i protona na LHC-u nakon nadogradnje visokog osvjetljenja (CERN/ATLAS)

“Otkrili smo kako čestice poput elektrona dobivaju masu interakcijom s Higgsovim bozonom, dovršavajući ‘standardni model’ – najuspješniju teoriju prirode poznatu ljudima. Međutim, postoje mnoga opažanja koja nisu predviđena ovim modelom”, kaže Salvatore Rappoccio sa Sveučilišta Buffalo, New York, SAD, koji traži novu fiziku koristeći eksperiment Compact Muon Solenoid (CMS) smješten na LHC-u.

Rappoccio je rekao za Elsevier: “Nakon otkrića Higgsovog bozona, nove fizičke interakcije nisu uočene na LHC-u. To nas dovodi do zaključka da, ako postoje, ili su na energijama većim od sposobnosti LHC-a [of around 13 TeV] ili imaju iznimno niske proizvodne vjerojatnosti u našim sudarima i skrivene su među pozadinskim procesima.”

Jedno od pitanja na koje će Rappoccio i njegov tim tražiti odgovor je zašto je Higgsov bozon otkriven na LHC-u malo drugačiji od čestice predviđene Standardnim modelom.

Bolje razumijevanje Higgsovog bozona i fizike koja ga okružuje moglo bi se pružiti činjenicom da će HL-LHC biti sposoban stvoriti mnogo više čestica nego što je LHC bio sposoban. U 2017. LHC je stvorio oko 3 milijuna Higgsovih čestica. Operateri u CERN-u procjenjuju da će 2029. godine HL-LHC stvoriti oko 15 milijuna Higgsovih bozona.

Ali, HL-LHC neće moći samo ispitati zakone fizike u svemiru kakav danas postoji. Možda, što je još impresivnije, HI-LHC će biti sposoban replicirati uvjete pronađene neposredno nakon Veliki prasakdajući nam tako najjasniju sliku našeg dječjeg svemira ikada.

Veliki hadronski sudarač: putovanje natrag u zoru svemira

LHC ne razbija samo snopove protona, kao ni njegov nasljednik, HL-LHC. Najveći svjetski akcelerator čestica također je sposoban razbiti mnogo teže čestice – čak i atome elementa željeza lišene elektrona.

Sudar željeznih iona je daleko rjeđi na LHC-u od sudara protona i protona, s tim da je jednom mjesecu godišnje posvećen ovakvom eksperimentu, ali to ne znači da nije bio plodonosan. 2020. istraživači iz CERN-a uspjeli su stvoriti kvark-gluonsku plazmu, stanje materije značajno jer je postojalo u najranijim trenucima svemira, ubrzo nakon Velikog praska.

U ekstremnim uvjetima stvorenim na LHC-u, protoni i neutroni koji čine olovne ione “tope se” u procesu oslobađajući kvarkove od njihovih veza s gluonima. Promatranje kako se kvark-gluonska plazma širi i hladi, daje istraživačima nagovještaj o tome kako je postupno stvorila čestice koje čine svemir dok se također hladila i širila u povojima.

Takve su studije također ključne za razumijevanje interakcije jedne od četiri temeljne sile svemira, jake nuklearne sile. Ova disciplina, poznata kao kvantna kromodinamika (QCD), opisuje interakcije između kvarkova i gluona.

LHC nije prvi stroj koji je replicirao ovo stanje materije, ali poboljšava prijašnje napore stvaranjem toplije, gušće i dugovječnije kvark-gluonske plazme što dopušta fizičarima da proučavaju ovo stanje materije do neviđenih detalja.

Kvarkovi i gluoni obično se nalaze samo u drugim česticama poput protona i neutrona. Oni slobodno postoje samo pri nevjerojatno visokim energijama poput onih koje su postojale u ranom svemiru kada je bio u nevjerojatno vrućem i gustom stanju prije nego što ga je inflacija dovela do širenja i hlađenja.

Vizualizacija sudara teških iona koje je otkrila ALICE (CERN/ALICE)

Koristeći LHC-ov ALICE detektor, istraživači na akceleratoru uspjeli su procijeniti temperaturu kvark-gluonske plazme korištenjem fotona koje emitira ovo stanje materije uz određivanje gustoće energije, a oba su dala rezultate veće od prethodnih procjena. Znanstvenici iz CERN-a također su uspjeli upotrijebiti čestice stvorene ovom gustom vrućom “juhom” materije kako bi ispitali njezin oblik i druge kvalitete.

Zahvaljujući nadogradnji LHC-a, detektor ALICE, ključni instrument u mjerenju čestica nastalih sudarima teških iona, dobio je ogroman poticaj.

Tijekom Run 3 CERN očekuje da će eksperimenti ATLAS i CMS postići više sudara nego što je postignuto u druga dva razdoblja rada zajedno, dok će LHCb imati tri puta veći broj sudara. Učinak na ALICE bit će još intenzivniji, ovaj detektor će u budućnosti moći mjeriti do 50 puta više sudara teških iona nego prije.

Više sudara znači stvaranje više kvark-gluonske plazme i dugotrajnije stanje ove primordijalne materije i pružanje istraživačima više podataka za proučavanje uvjeta ranog svemira.

“Nadolazeće desetljeće na LHC-u nudi mnoge mogućnosti za daljnje istraživanje kvark-gluonske plazme”, rekao je glasnogovornik eksperimenta ALICE Luciano Musa u Priopćenje CERN-a. “Očekivano deseterostruko povećanje broja sudara iona olova i olova trebalo bi povećati preciznost mjerenja poznatih sondi medija i omogućiti nam pristup novim sondama. Osim toga, planiramo istražiti sudare između lakših jezgri, što bi moglo baciti dodatno svjetlo na prirodu medija.”