Sekiranya ahli fizik zarah berjaya, pemecut baru suatu hari nanti dapat meneliti zarah subatomik yang paling ingin tahu dalam fizik, boson Higgs. Enam tahun selepas penemuan zarah ini di Large Hadron Collider, ahli fizik merancang mesin baru yang besar yang akan membentang puluhan kilometer di Eropah, Jepun atau China.
Collider baru: apa yang akan mereka lakukan
Penemuan zarah subatomik ini, yang mengungkapkan asal-usul jisim, menyebabkan penyelesaian Model Piawai, teori asas fizik zarah. Dan ia juga menjadi pencapaian penting bagi LHC, yang kini merupakan pemecut terbesar di dunia - bagaimanapun, ia dibina untuk mencari boson Higgs, walaupun bukan hanya.
Kini ahli fizik ingin menyelami lebih jauh misteri boson Higgs dengan harapan ia akan menjadi kunci untuk menyelesaikan masalah fizik zarah yang telah lama berlaku. "The Higgs adalah zarah khas," kata ahli fizik Yifang Wang, pengarah Institut Fizik Tenaga Tinggi di Beijing. "Kami percaya Higgs adalah jendela masa depan."
The Large Hadron Collider, juga dikenal sebagai LHC, terdiri dari cincin sepanjang 27 kilometer, di mana proton mempercepat hingga hampir kecepatan cahaya dan bertabrakan berbilion kali sesaat, hampir mencapai batasnya. Dia melakukan pekerjaan yang sangat baik dalam mencari Higgs, tetapi dia tidak sesuai untuk penyelidikan terperinci.
Oleh itu, ahli fizik zarah menuntut collider partikel baru yang direka khas untuk melancarkan tumpukan boson Higgs. Beberapa reka bentuk telah diusulkan untuk mesin baru yang kuat ini, dan para saintis berharap kilang-kilang Higgs ini dapat membantu mencari jalan keluar untuk kelemahan ketara Model Standard.
Video promosi:
"Model Standard bukanlah teori alam semesta yang lengkap," kata ahli fizik zarah eksperimen Galina Abramovich dari Universiti Tel Aviv. Sebagai contoh, teori ini tidak menjelaskan bahan gelap, bahan yang tidak dikenali yang jisimnya diperlukan untuk memperhitungkan pemerhatian kosmik seperti pergerakan bintang di galaksi. Ia juga gagal menjelaskan mengapa alam semesta terbuat dari bahan, sedangkan antimateri sangat jarang berlaku.
Penyokong collider baru berpendapat bahawa kajian yang teliti tentang boson Higgs dapat menunjukkan para saintis dalam perjalanan menyelesaikan misteri ini. Tetapi di kalangan saintis, keinginan untuk pemecut mahal baru tidak disokong oleh semua orang. Lebih-lebih lagi, tidak jelas apa sebenarnya mesin yang dapat dijumpai.
Selanjutnya dalam barisan
Baris pertama adalah International Linear Collider di utara Jepun. Tidak seperti LHC, di mana zarah bergerak dalam cincin, MLC mempercepat dua rasuk zarah dalam garis lurus, tepat di atas satu sama lain, sepanjang keseluruhan 20 kilometer. Dan bukannya mendorong proton bersama-sama, ia mendorong elektron dan rakan antimateri mereka, positron.
Namun, pada bulan Disember 2018, sebuah jawatankuasa interdisipliner Majlis Saintifik Jepun menentang projek itu, mendesak pemerintah untuk berhati-hati dengan sokongannya dan bertanya-tanya apakah kemajuan saintifik yang diharapkan membenarkan kos pelanggar, yang kini dianggarkan bernilai $ 5 bilion.
Penyokong berpendapat bahawa rancangan MLK untuk bertabrakan elektron dan positron, bukan proton, mempunyai beberapa kelebihan utama. Elektron dan positron adalah zarah unsur, iaitu, mereka tidak mempunyai komponen yang lebih kecil, dan proton terdiri daripada zarah yang lebih kecil - kuark. Ini bermaksud perlanggaran proton akan menjadi lebih huru-hara dan menghasilkan serpihan zarah yang tidak berguna yang perlu disaring.
Di samping itu, dalam perlanggaran proton, hanya sebahagian daripada tenaga setiap proton yang benar-benar jatuh ke dalam perlanggaran, sedangkan pada collider elektron-positron, zarah memindahkan jumlah tenaga ke dalam perlanggaran. Ini bermaksud para saintis dapat mengatur tenaga perlanggaran untuk memaksimumkan jumlah boson Higgs yang dihasilkan. Pada masa yang sama, MLK hanya memerlukan 250 bilion volt elektron untuk menghasilkan boson Higgs, berbanding 13 trilion volt elektron di LHC.
Di MLK, "kualiti data akan jauh lebih baik," kata ahli fizik zarah Lyn Evans dari CERN di Geneva. Satu daripada setiap 100 perlanggaran di MLK akan menghasilkan boson Higgs, sementara di LHC ini berlaku sekali setiap 10 bilion perlanggaran.
Pemerintah Jepun dijangka membuat keputusan mengenai penembak tersebut pada bulan Mac. Evans mengatakan bahawa jika MLK diluluskan, akan memakan masa sekitar 12 tahun untuk dibina. Kemudian, pemecut juga dapat ditingkatkan untuk meningkatkan tenaga yang dapat dicapai.
CERN mempunyai rancangan untuk membina mesin serupa, Compact Linear Collider (CLIC). Ia juga akan bertembung dengan elektron dan positron, tetapi pada tenaga yang lebih tinggi daripada MLK. Tenaganya akan bermula pada 380 bilion volt elektron dan akan meningkat menjadi 3 trilion volt elektron dalam satu siri kemas kini. Untuk mencapai tenaga yang lebih tinggi ini, teknologi pecutan zarah baru perlu dikembangkan, yang bermaksud bahawa CLIC tidak akan muncul di hadapan MLK, kata Evans, yang memimpin kerjasama penyelidikan pada kedua-dua projek tersebut.
Berlari dalam bulatan
Dua collider lain yang dirancang, di China dan Eropah, akan sama bulat dengan LHC, tetapi jauh lebih besar: masing-masing dengan lilitan 100 kilometer. Ini adalah lingkaran yang cukup besar untuk mengelilingi negara Liechtenstein dua kali. Ini secara praktikalnya adalah sepanjang Jalan Lingkaran Moscow.
Collider elektron-positron pekeliling, yang tapak pembinaannya belum ditentukan di China, akan bertembung dengan 240 bilion elektron-volt elektron dan positron, menurut rancangan konseptual yang dilancarkan secara rasmi pada bulan November dan ditaja oleh Wang dan Institut Fizik Tenaga Tinggi. Pemecut ini kemudiannya dapat ditingkatkan untuk bertembung dengan proton bertenaga tinggi. Para saintis mengatakan bahawa mereka boleh mula membina mesin bernilai $ 5-6 bilion ini pada tahun 2022 dan menyelesaikannya pada tahun 2030.
Dan di CERN, Future Circular Collider yang dicadangkan, BKK, juga akan beroperasi secara berperingkat, bertembung elektron dengan positron, dan proton kemudian. Matlamat utama ialah mencapai perlanggaran proton pada 100 trilion volt elektron, lebih daripada tujuh kali tenaga LHC.
Sementara itu, para saintis telah menutup LHC selama dua tahun, menaik taraf mesin untuk menggunakan tenaga yang lebih tinggi. Pada tahun 2026, LHC dengan kecerahan tinggi akan mula berfungsi, yang akan meningkatkan frekuensi perlanggaran proton sekurang-kurangnya lima kali.
Potret Higgs
Semasa LHC dibina, para saintis cukup yakin untuk menemui boson Higgs dengannya. Tetapi dengan mesin baru, tidak jelas apa zarah baru yang perlu dicari. Mereka hanya akan membuat katalog seberapa kuat Higgs berinteraksi dengan zarah lain yang diketahui.
Pengukuran interaksi Higgs dapat mengesahkan jangkaan Model Piawai. Tetapi jika pemerhatian berbeza dari jangkaan, perbezaan tersebut secara tidak langsung dapat menunjukkan adanya sesuatu yang baru, seperti zarah-zarah yang membentuk bahan gelap.
Sebilangan saintis berharap sesuatu yang tidak dijangka akan berlaku. Kerana boson Higgs itu sendiri adalah misteri: zarah-zarah ini mengembun menjadi cecair seperti molase. Kenapa? Kami tidak tahu, kata ahli teori zarah Michael Peskin dari Universiti Stanford. Cecair ini meresap ke alam semesta, memperlahankan zarah dan memberi mereka berat.
Misteri lain ialah jisim Higgs berjuta-juta bilion lebih sedikit daripada yang dijangkakan. Keanehan ini mungkin menunjukkan bahawa terdapat zarah lain. Para saintis sebelum ini berpendapat bahawa mereka dapat menjawab masalah Higgs dengan bantuan teori supersimetri - konsonan di mana setiap zarah mempunyai pasangan yang lebih berat. Tetapi ini tidak berlaku, kerana LHC tidak menemui jejak zarah supersimetri.
Penggali masa depan mungkin masih menemui bukti supersimetri atau sebaliknya mengisyaratkan zarah baru, tetapi kali ini saintis tidak akan membuat janji. Mereka sekarang lebih sibuk mengembangkan keutamaan dan membuat argumen yang menyokong collider baru dan eksperimen lain dalam fizik zarah. Satu perkara yang pasti: pemecut yang dicadangkan akan menjelajah wilayah yang tidak diketahui dengan hasil yang tidak dapat diramalkan.
Ilya Khel
