Какво означава надграждането на Големия адронен колайдер за физиката?


На 22 април 2022 г., дълбоко под френско-швейцарската граница близо до Женева, Швейцария, два лъча протони бяха ускорени около 27-километров пръстен, сблъсквайки се и създавайки дъжд от вторични частици. Експериментът не е нищо ново за Големия адронен колайдер (LHC) на CERN. Всъщност, сблъсквайки се при инжекция от 450 милиарда електронволта (450 GeV), експериментът е доста под мощността, която този, най-големият и най-мощен ускорител на частици на човечеството може да постигне.

И все пак това, което този скромен тест на LHC представлява, вълнува физиците. Тестът бележи началото на нова серия от експерименти с LHC, който ще сблъсква частици с енергия до 13,6 трилиона електронволта (TeV), най-мощните сблъсъци в ускорителя досега. И това е само началото на това, което трябва да бъде вълнуващ нов период за физиката на елементарните частици.

Този трети експериментален период на LHC – известен като Run 3 – ще доведе до друга удължена пауза през 2026 г. По време на тригодишна пауза, продължаваща до 2029 г., LHC ще претърпи най-съществената си трансформация досега – завършвайки надграждането с висока осветеност, което започна през 2018 г. След това осветеността на LHC ще бъде увеличена приблизително с коефициент 10.

LHC, докато е в изключен режим през 2019 г., докато работата продължава по надстройките, които ще видят, че най-мощният ускорител на частици в света ще стане още по-страшен (Робърт Леа)

Яркостта на LHC се отнася до броя на частиците, които е в състояние да се сблъска, а увеличаването на сблъсъците означава повишен шанс за забелязване на екзотична, невиждана досега физика. Това означава, че резултантният ускорител, Големият адронен колайдер с висока яркост (HL-LHC) ще има силата да изследва физиката, която управлява Вселената отвъд това, което е известно като Стандартен модел на физиката на елементарните частици.

Отвъд стандартния модел

Уместно е да бъде LHC, към който човечеството се обръща, за да търси физика отвъд Стандартния модел – най-доброто описание, което имаме за частиците и взаимодействията, които управляват субатомния свят. В крайна сметка с тази огромна част от апарата този модел, създаден за първи път през 1971 г., беше завършен.

През юли 2012 г. в лекционна зала в ЦЕРН в Швейцария беше обявено откриването на бозона на Хигс, открит от експериментите на LHC ATLAS и CMS. Бозонът – частица, носеща сила – представлява последната частица, предсказана от Стандартния модел. По този начин неговото откритие, което ще спечели Нобеловата награда по физика през 2013 г., представлява завършването на този модел.

Освен това, като посредническа частица на така нареченото поле на Хигс, бозонът на Хигс е частицата, която е отговорна за предоставянето на масата на повечето други обитатели на зоопарка на частиците. Това означава, че откриването му също маркира дългогодишния проблем във физиката за това как повечето частици получават своята маса.

И все пак, въпреки чувството за окончателност, което може да подсказва това твърдение, това в никакъв случай не е последният елемент на физиката, който трябва да бъде открит. Има елементи от физиката, които не са описани от Стандартния модел, като природата на тъмната материя и това, което придава на неутрино малката им почти незначителна маса.

По същия начин все още остават въпроси относно самия бозон на Хигс, който не е точно частицата, за която се предвиждаше да съществува преди откриването му.

Именно тези въпроси и задържани пъзели LHC вече е в състояние да започне да изследва.

Изображение, показващо очаквания брой протон-протонни сблъсъци в LHC след надграждане с висока осветеност (CERN/ATLAS)

„Открихме как частици като електрона придобиват маса чрез взаимодействие с бозона на Хигс, завършвайки „стандартния модел“ – най-успешната теория за природата, позната на хората. Въпреки това има много наблюдения, които не са предвидени от този модел“, казва Салваторе Рапочио от Университета на Бъфало, Ню Йорк, САЩ, който търси нова физика, използвайки експеримента Compact Muon Solenoid (CMS), разположен в LHC.

Рапочо каза на Elsevier: „След откриването на бозона на Хигс, нови физически взаимодействия не са наблюдавани в LHC. Това ни води до заключението, че ако съществуват, те са или с енергии, по-високи от възможностите на LHC [of around 13 TeV] или имат изключително ниски производствени вероятности в нашите сблъсъци и са скрити сред фоновите процеси.”

Един от въпросите, на които Рапочо и неговият екип ще се стремят да отговорят, е защо бозонът на Хигс, открит в LHC, е малко по-различен от частицата, която е предвидена от Стандартния модел.

По-добро разбиране на бозона на Хигс и физиката около него може да бъде предоставено от факта, че HL-LHC ще бъде в състояние да създаде много повече частици, отколкото LHC е способен. През 2017 г. LHC създаде около 3 милиона Higgs частици. Операторите в CERN изчисляват, че през 2029 г. HL-LHC ще създаде приблизително 15 милиона Хигс бозона.

Но HL-LHC няма да може просто да изследва законите на физиката във Вселената, каквато съществува днес. Може би, дори по-впечатляващо, HI-LHC ще бъде в състояние да възпроизведе условията, установени веднага след Голям взривкато по този начин ни дава най-ясната картина на нашата детска вселена досега.

Големият адронен колайдер: Пътуване обратно към зората на Вселената

LHC не просто разбива снопове от протони, нито пък неговият наследник, HL-LHC. Най-големият ускорител на частици в света също е в състояние да разбие много по-тежки частици – дори атоми на елемента желязо, лишен от електрони.

Сблъсъкът на железни йони е много по-рядко срещан в LHC, отколкото протон-протонните сблъсъци, като един месец в годината е посветен на този вид експеримент, но това не означава, че не е бил ползотворен. През 2020 г. изследователи от CERN успяха да създадат кварк-глюонна плазма, състояние на материята, което е важно, защото е съществувало в най-ранните моменти на Вселената, малко след Големия взрив.

В екстремните условия, създадени в LHC, протоните и неутроните, които съставляват оловните йони, се „топяват“ в процеса, освобождавайки кварките от връзките им с глуоните. Наблюдавайки как кварк-глюонната плазма едновременно се разширява и охлажда, дава на изследователите намек за това как тя постепенно е породила частиците, които съставляват Вселената, докато също се охлажда и разширява в зародиш.

Такива изследвания също са от съществено значение за разбирането на взаимодействията на една от четирите фундаментални сили на Вселената, силната ядрена сила. Тази дисциплина, известна като квантова хромодинамика (QCD), описва взаимодействията между кварки и глуони.

LHC не е първата машина, която възпроизвежда това състояние на материята, но подобрява предишните усилия, като създава по-гореща, по-плътна и по-дълготрайна кварк-глюонна плазма, позволяваща на физиците да изучават това състояние на материята в безпрецедентни детайли.

Кварките и глуоните обикновено се намират само в други частици като протони и неутрони. Те съществуват свободно само при невероятно високи енергии като тези, които са съществували в ранната Вселена, когато е била в невероятно горещо и плътно състояние, преди инфлацията да я накара да се разшири и охлади.

Визуализация на сблъсъци на тежки йони, засечени от ALICE (CERN/ALICE)

Използвайки детектора ALICE на LHC, изследователите в ускорителя са успели да оценят температурата на кварк-глюонната плазма, като използват фотони, излъчвани от това състояние на материята, в допълнение към определянето на нейната енергийна плътност, като и двете са дали резултати, по-високи от предишните оценки. Учените от ЦЕРН също са успели да използват частици, създадени от тази гъста гореща „супа“ от материя, за да изследват нейната форма и други качества.

Благодарение на подобренията на LHC, детекторът ALICE, ключовият инструмент за измерване на частиците, създадени от сблъсъци на тежки йони, получи огромен тласък.

По време на Run 3 CERN очаква експериментите ATLAS и CMS да постигнат повече сблъсъци, отколкото са постигнати в другите му два периода на работа, взети заедно, докато LHCb ще увеличи броя на сблъсъците три пъти. Ефектът върху ALICE ще бъде още по-интензивен, този детектор в бъдеще ще може да измерва до 50 пъти повече сблъсъци на тежки йони, отколкото преди.

Повече сблъсъци означават създаване на повече кварк-глюонна плазма и по-дълготрайно състояние на тази първична материя и предоставяне на изследователите с повече данни за изследване на условията на ранната вселена.

„Предстоящото десетилетие в LHC предлага много възможности за по-нататъшно изследване на кварк-глюонната плазма“, каза говорителят на експеримента на ALICE Лучано Муса в Съобщение за пресата на ЦЕРН. „Очакваното десетократно увеличение на броя на сблъсъците на оловно-оловни йони трябва както да повиши прецизността на измерванията на известни сонди на средата, така и да ни даде достъп до нови сонди. Освен това планираме да изследваме сблъсъци между по-леки ядра, които биха могли да хвърлят допълнителна светлина върху природата на средата.”