Как новите експерименти с голям адронен колайдер могат да променят физиката завинаги

След а След тригодишна дрямка, най-големият ускорител на частици в света е буден и готов да помогне на физиците да изследват границите на самата наука, включително възможното съществуване на мистериозна пета сила на природата.

Сам Харпър е физик на частиците и сътрудник в експеримента на компактния мюон соленоид (CMS) на LHC от 2007 г. Той казва, че новите подобрения, направени в колайдера през последните три години, вече са готови да доведат учените до ръба на откриването на разкритията, които може завинаги да промени разбирането ни за най-малките части от нашата вселена.

„Наистина сме развълнувани да следваме [previous] аномалии”, казва Харпър. Обратен. “[But,] ние също сме много нервни да оправим всичко.

Какво представлява Големият адронен колайдер?

Разположен между границите на Франция и Швейцария, LHC е най-големият (дълъг почти 25 километра) и най-мощният ускорител на частици в света. Този гигантски колайдер с форма на поничка използва свръхпроводящи магнити и протонни лъчи, за да смачка известни частици до изключително високи енергии (напр. 13,6 трилиона електронволта).

Това число може да изглежда много, но когато се преобразува в по-често срещани единици енергия, като ватове или джаули, не е достатъчно дори за захранване на 100-ватова крушка за един час (енергията на LHC е равна на около 2,18 10^-6 Джаула, докато 100 W крушка се нуждае от 360 000 Джаула за един час светлина.)

Но не си мислете, че сте били заблудени – това може да не е много енергия за сравнително тежък обект като електрическа крушка, но може да задвижи невероятно леки частици до скорости малко под скоростта на светлината.

Детекторите се разпространяват около цикъла, след което събират данни от тези сблъсъци, за да наблюдават как частиците се разпадат на по-малки фрагменти, разкривайки по-малко разбрани области на физиката. Тези части могат да включват неща като кварки или дори клас частици, наречени бозони. Бозоните са семейство ултралеки частици, които включват фотони и са отговорни за създаването на сили между частиците, включително силни и слаби ядрени сили и електромагнетизъм. В случая с известния бозон на Хигс, той дори е отговорен за придаване на маса на частиците.

Отвъд вълнението и любопитството, които идват с разбиването на нещата, Харпър казва, че учените използват LHC, за да изследват валидността на най-важната теория във физиката на елементарните частици: Стандартния модел. От своето развитие през 70-те години на миналия век тази теория описва почти цялото поведение на субатомните частици, което учените са наблюдавали, но последните открития оспорват това надмощие, включително откритие от 2022 г. от данните на FermiLab, което предполага определен бозон, наречен W бозон, може да бъде много по-тежък от предвиденото от Стандартния модел.

С по-нататъшни надстройки на LHC учените може най-накрая да успеят да разгадаят тази мистерия, казва Харпър. Ако данните от новото изпълнение на LHC, Run 3, наблюдават поведение, което не е предвидено от Стандартния модел, това може да е сигнален знак, че има сили или частици, които все още не са известни на Стандартния модел.

„Воаля, открита е нова физика!“ — каза Харпър.

Експеримент, показващ откриване на W бозона.ЦЕРН

Защо LHC спря да работи?

В миналото работата на LHC предизвика загриженост сред зяпачи, които някога се опасяваха, че катастрофален инцидент в колайдера ще създаде опасна черна дупка (не би била), но скептиците могат да бъдат спокойни, знаейки, че трите- годишната почивка не беше нищо друго освен планирани надстройки и поддръжка.

Всъщност това не е първият или последният път, когато ще се случи такова спиране. Според работен график LHC има още две планирани спирания, планирани за 2030 г. Основната цел на тези спирания, казва Харпър, е постепенно да подобрят енергийните възможности на протонните лъчи, проектирани вътре в колайдера. за да се подобри шансът за частици сблъсък.

„Физиците искат повече сблъсъци [and] няма повече сблъсъци“, казва Харпър. „LHC и неговите детектори се надграждат, за да доставят и записват възможно най-много, което прави [for] по-щастливи физици.

LHC изпрати два тестови лъча миналата седмица и екипът възнамерява да започне да събира сериозно данни за Run 3 по-късно това лято. Освен кратки почивки за поддръжка по пътя, Харпър казва, че Race 3 ще продължи до края на 2025 г.

Какви подобрения е постигнал LHC?

По време на последното си спиране, което започна в края на 2018 г., LHC се възползва от две основни подобрения:

  • Повишен енергиен капацитет за неговите инструменти, което позволява на изследователите да създават повече и по-бързи сблъсъци
  • По-чувствителен софтуер за събиране на данни с подобрена скорост на улавяне за увеличаване на броя на сблъсъците, които изследователите могат да записват и анализират

Заедно тези надстройки трябва да създадат и регистрират повече сблъсъци за детекторите. Според CERN, детекторът, върху който работи Харпър (CMS), трябва да очаква да наблюдава “повече сблъсъци по време на този физичен цикъл, отколкото по време на предишните два физически цикъла, взети заедно”. Други текущи експерименти, включително ATLAS, ALICE и LHCb, вероятно ще видят сблъсъци до петдесет пъти повече от предишните числа.

В допълнение към надграждането на съществуващите експерименти, Run 3 ще включва и два нови експеримента – FASER и [email protected] – специално предназначени за изследване на физика извън стандартния модел.

Лявото показва резултат, при което се освобождават два W бозона и Z бозон, докато другият показва два освободени Z бозона. ЦЕРН

Какви открития може да направи LHC сега?

За Харпър едно от най-вълнуващите открития, които LHC може да направи в Run 3, е да се копае по-дълбоко в аномалия, наблюдавана от LHCb в края на последния цикъл, която изглежда надхвърля физиката на стандартния модел. В тези данни от Run 2 учените видяха вид бозон, наречен B мезон, разпадащ се на повече електрони, отколкото е предвидено от Стандартния модел.

Ако Харпър и колегите му могат да потвърдят тази тенденция с повече данни, учените смятат, че това може да е доказателство, че нова пета сила действа върху тези частици.

„Рано е да се каже нещо. [certain,] но това ни прави много развълнувани и ние наистина очакваме с нетърпение Run 3 да може да хвърли малко повече светлина върху това“, казва Харпър.

В допълнение към изследването на тази аномалия, LHC експериментаторите също се надяват да копаят по-дълбоко в други мистерии, включително частиците, които съставляват тъмната материя, като търсят липсващи данни за инерцията от протонни сблъсъци. FASER, по-специално, ще се съсредоточи върху този лов.

И все пак, въпреки всички тези примамливи данни, Харпър казва, че все още ще има значително забавяне между събирането на тези данни и действителното им приключване. Това може да е най-трудната част от цялото начинание за страстни учени като Харпър.

„За съжаление ще трябва да изчакаме, докато внимателно събираме и анализираме данните“, казва той. “[It’s] трудно за нас, защото се опитваме да видим резултатите сами!

Add Comment