Cern: Các kế hoạch thay thế Hadron Collider lớn được tiết lộ - đây là những gì nó có thể khám phá

Anonim

Máy va chạm Hadron lớn (LHC) tại CERN là máy gia tốc hạt mạnh nhất trên thế giới. Trong mười năm hoạt động, nó đã dẫn đến những khám phá đáng chú ý, bao gồm cả boson Higgs được tìm kiếm từ lâu. Vào ngày 15 tháng 1, một nhóm các nhà vật lý quốc tế đã tiết lộ thiết kế ý tưởng cho một máy gia tốc hạt mới có thể làm lùn LHC.

Máy va chạm vòng tròn trong tương lai của thang máy được hình thành như một sự kế thừa của LHC và - nếu được bật đèn xanh - nó sẽ cho phép các nhà vật lý tìm kiếm câu trả lời cho một số bí ẩn lớn nhất trong vật lý. Điều này bao gồm tìm hiểu những gì đại đa số vũ trụ thực sự được tạo ra hoặc khám phá vật lý hoàn toàn mới.

Đề xuất dự kiến ​​một đường hầm chu vi 100km mới sẽ bị nhàm chán xuyên qua Trái đất, bao quanh thành phố Geneva và vùng nông thôn xung quanh. LHC dài 27km sẽ đưa các hạt vào máy va chạm mới - giống như đường trượt trên đường cao tốc. Điều này cuối cùng sẽ cho phép nó va chạm các hạt có năng lượng cao hơn khoảng bảy lần so với LHC có thể quản lý. Điều này sẽ cho phép máy va chạm này tạo ra các hạt nằm ngoài tầm với của LHC - đẩy vật lý hạt sâu vào một cõi vi mô chưa được khám phá.

Cổng thông tin vào một thế giới đen tối

Tương lai Thông tư Collider thực sự là một số dự án trong một. Giai đoạn đầu tiên tưởng tượng một cỗ máy va chạm các electron với cái gọi là phiên bản phản vật chất của họ, các positron. Tất cả các hạt được cho là có bạn đồng hành phản vật chất, gần như giống hệt với chính nó nhưng có điện tích trái dấu. Khi một vật chất và một hạt phản vật chất gặp nhau, chúng hủy diệt hoàn toàn lẫn nhau, với tất cả năng lượng của chúng chuyển thành các hạt mới.

Năng lượng va chạm của máy va chạm như vậy có thể được kiểm soát rất chính xác. Ngoài ra, các va chạm sẽ rất sạch sẽ so với LHC, va chạm với các proton (các hạt tạo nên hạt nhân nguyên tử cùng với neutron). Proton không phải là các hạt cơ bản như electron, mà là các túi nhỏ của các hạt nhỏ hơn bao gồm quark và gluon. Khi các proton va chạm, các bộ phận bên trong của chúng bị phun khắp nơi, khiến việc phát hiện các hạt mới giữa các mảnh vỡ trở nên khó khăn hơn nhiều.

Mục tiêu chính của máy va chạm electron-positron sẽ là nghiên cứu boson Higgs, hạt có liên quan đến nguồn gốc khối lượng của các hạt cơ bản khác. Máy va chạm mới sẽ tạo ra hàng triệu boson Higgs và đo các thuộc tính của chúng một cách chi tiết chưa từng có.

Các phép đo chính xác như vậy cung cấp nhiều khả năng cho những khám phá mới. Một trong những điều trêu ngươi nhất là hạt Higgs có thể đóng vai trò là cánh cổng kết nối thế giới của vật chất nguyên tử thông thường mà chúng ta sinh sống, với một thế giới ẩn của các hạt mà không thể phát hiện được. Khoảng 85% tất cả các vật chất trong vũ trụ trong vũ trụ là tối Dark, được tạo thành từ các hạt mà chúng ta chưa bao giờ có thể nhìn thấy. Chúng ta chỉ biết nó tồn tại do lực hấp dẫn của nó đối với vật chất xung quanh. Thật thú vị, một máy va chạm electron-positron có thể tiết lộ boson Higgs phân rã thành các hạt ẩn này.

Trong giai đoạn thứ hai, máy va chạm sẽ được thay thế bằng máy va chạm proton-proton mạnh hơn nhiều - đạt năng lượng va chạm 100 nghìn tỷ volt. Đây sẽ là một cỗ máy khám phá, có khả năng tạo ra một loạt các hạt mới mà các nhà vật lý nghi ngờ có thể nằm ngoài tầm với của LHC.

Đặc biệt, nó gần như sẽ khám phá hoàn toàn phạm vi năng lượng nơi hầu hết các dạng vật chất tối có khả năng được tìm thấy. Nó cũng có thể thăm dò các điều kiện tồn tại một phần nghìn giây sau Vụ nổ lớn. Thời điểm này trong lịch sử vũ trụ là rất quan trọng vì đó là khi trường Higgs - trường năng lượng toàn diện mà boson Higgs có một chút gợn sóng - sụp đổ vào trạng thái hiện tại của nó, đó là thứ tạo ra khối lượng của các hạt cơ bản.

Hiểu làm thế nào trường Higgs có được năng lượng hiện tại của nó là một trong những vấn đề nổi bật nhất trong vật lý, vì nó dường như được điều chỉnh một cách khó tin để cho phép các nguyên tử - và do đó các ngôi sao, hành tinh và con người - tồn tại.

Là một nhà vật lý làm việc trong thí nghiệm làm đẹp LHC, cá nhân tôi hy vọng máy va chạm mới này cuối cùng cũng có thể giúp chúng ta giải quyết câu đố tại sao vũ trụ được tạo ra gần như hoàn toàn từ vật chất và không phản vật chất.

Thẻ giá quá đắt

Giai đoạn đầu tiên của máy va chạm mới sẽ xuất hiện trực tuyến vào những năm 2040, sau lần chạy cuối cùng của LHC nâng cấp. Máy va chạm proton-proton mạnh hơn sẽ được lắp đặt vào những năm 2050. Cả hai dự án đều đi kèm với một mức giá đắt đỏ: 9 tỷ euro cho máy điện tử positron và thêm 15 tỷ euro cho máy va chạm proton-proton. Điều này đã đưa ra những lời chỉ trích dễ hiểu rằng tiền có thể được chi tiêu tốt hơn ở nơi khác, ví dụ như trong việc giải quyết biến đổi khí hậu.

John Womersley, một nhà vật lý cao cấp có liên quan đến Máy bay vòng tròn tương lai, nói với tôi rằng ngoài giá trị của kiến ​​thức cơ bản theo cách riêng của mình, sẽ có những lợi ích ngắn hạn đáng kể khác. Ông nói: uy tín FCC sẽ thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ tiên tiến để giải quyết những thách thức mới. World Wide Web, Wi-Fi và nam châm siêu dẫn trong các máy MRI đều được phát triển để đáp ứng nhu cầu của vật lý cơ bản. Dự án cũng có sức mạnh rất lớn để truyền cảm hứng cho thế hệ các nhà vật lý tiếp theo.

Cuối cùng, một kế hoạch đầy tham vọng như vậy sẽ chỉ có thể thông qua một sự hợp tác quốc tế lớn, với sự tài trợ từ hàng chục quốc gia. Dự án đã bao gồm 1.300 người đóng góp từ 150 trường đại học, viện nghiên cứu và các đối tác công nghiệp trên khắp thế giới. Trong khi đó, một dự án máy va chạm tương tự cũng đang được Trung Quốc xem xét, có lẽ là quốc gia duy nhất có khả năng huy động các nguồn lực cần thiết để tự mình chế tạo một cỗ máy khổng lồ như vậy.

Những người ủng hộ Công ty Thông tư Tương lai hy vọng rằng dự án sẽ được thông qua trong chiến lược mới của châu Âu về vật lý hạt, sẽ được công bố vào năm 2020. Nếu được chấp nhận, nó sẽ bắt đầu một quá trình nghiên cứu và phát triển lâu dài, nhưng cũng thuyết phục các chính phủ quốc gia và công chúng nói chung rằng nghiên cứu cơ bản thú vị có thể được thực hiện tại máy va chạm rất đáng để đầu tư.

Những thách thức chính trị chắc chắn là rất lớn, nhưng các nhà vật lý quyết tâm không từ bỏ nhiệm vụ tìm hiểu sâu hơn về vũ trụ của chúng ta.