Ingen roter med Large Hadron Collider. Det er den øverste partikkelutvikleren i dagens tidsalder, og ingenting kan berøre energiens evner eller evner til å studere fysikkens grenser. Men all ære er forbigående, og ingenting varer evig. Etter hvert, et sted rundt 2035, vil lysene på denne 17 kilometer lange (27 kilometer) kraftringen slukke. Hva kommer etter det?
Konkurrerende grupper rundt om i verden kjemper for å sikre økonomisk støtte for å gjøre ideene til kjæledyrkollideren til den neste store tingen. Én design ble beskrevet 13. august i en artikkel i forhåndstrykkjournalen arXiv. Kjent som Compact Linear Collider (eller CLIC, fordi det er søtt), synes den foreslåtte massive, subatomære jernbanepistolen å være frontløperen. Hva er den sanne naturen til Higgs boson? Hva er forholdet til toppkvarken? Kan vi finne noen antydninger til fysikk utover standardmodellen? CLIC kan være i stand til å svare på disse spørsmålene. Det innebærer bare en partikkelkollider lenger enn Manhattan.
Subatomisk dragracing
The Large Hadron Collider (LHC) smadrer sammen noe tunge partikler kjent som hadroner (derav navnet på anlegget). Du har en haug med hadroner i kroppen din; protoner og nøytroner er de vanligste representantene for den mikroskopiske klanen. Ved LHC går runde og runde hasrons i en gigantisk sirkel, til de nærmer seg lysets hastighet og begynner å knuse. Mens imponerende - LHC når energier som ikke kan matches av andre enheter på jorden, er hele saken en smule rotete. Tross alt er hadrons konglomeratpartikler, bare poser med andre, tynnere, mer grunnleggende ting, og når hadrons smadrer, søler alle tarmen over alt, noe som gjør analysen komplisert.
I kontrast er CLIC designet for å være mye enklere, renere og mer kirurgisk. I stedet for hadrons vil CLIC akselerere elektroner og positroner, to lette, grunnleggende partikler. Og denne smasheren vil akselerere partikler i en rett linje, alt fra 11 til 50 km (11 til 50 km), avhengig av den endelige utformingen, rett ned i tønna.
All denne awesomeness vil ikke skje på en gang. Den nåværende planen er at CLIC skal komme i gang med lavere kapasitet i 2035, akkurat når LHC avvikles. Første generasjon CLIC vil operere med bare 380 gigaelektronvolt (GeV), mindre enn en tredel av den maksimale effekten til LHC. Til og med den fullstendige operasjonelle kraften til CLIC, som for øyeblikket er rettet mot 3 teraelektronvolt (TeV), er mindre enn en tredel av hva LHC kan gjøre nå.
Så hvis en avansert, neste generasjons partikkeloppsamler ikke kan slå det vi kan gjøre i dag, hva er da poenget?
Higgs jeger
CLICs svar er å jobbe smartere, ikke hardere. Et av de viktigste vitenskapelige målene med LHC var å finne Higgs boson, den ettertraktede partikkelen som gir andre partikler deres masse. Tilbake på 1980- og 1990-tallet, da LHC ble designet, var vi ikke sikre på at Higgs til og med eksisterte, og vi ante ikke hva dens masse og andre egenskaper var. Så vi måtte bygge et instrument til generell bruk som kunne undersøke mange typer interaksjoner som alle potensielt kan avsløre en Higgs.
Og det gjorde vi. Hurra!
Men nå som vi vet at Higgs er en ekte ting, kan vi stille inn kolliderne våre til et mye smalere sett med samspill. På den måten vil vi ta sikte på å produsere så mange Higgs-bosoner som mulig, samle masser av saftige data og lære mye mer om denne mystiske, men grunnleggende partikkelen.
Og her kommer kanskje den merkeligste biten av fysikk-sjargongen du sannsynligvis vil møte denne uken: Higgsstrahlung. Jøss, du har lest det riktig. Det er en prosess i partikkelfysikk kjent som bremsstrahlung, som er en unik form for stråling produsert av en haug med varme partikler som er proppet i en liten boks. Når du smeller et elektron i en posisjon med høye energier, ødelegger de hverandre i analogi med en dusj av energi og nye partikler, blant dem en Z boson sammen med en Higgs. Derfor Higgsstrahlung.
På 380 Gev vil CLIC være en ekstraordinær fabrikk i Higgsstrahlung.
Utover toppkvarken
I den nye artikkelen forklarte Aleksander Filip Zarnecki, fysiker ved universitetet i Warszawa i Polen og medlem av CLIC-samarbeidet, den nåværende statusen for anleggets design, basert på sofistikerte simuleringer av detektorene og partikkelkollisjonene.
Håpet med CLIC er at ved å ganske enkelt produsere så mange Higgs-bosoner som mulig i et rent miljø som er lett å studere, kan vi lære mer om partikkelen. Er det mer enn en Higgs? Snakker de med hverandre? Hvor sterkt samhandler Higgs med alle andre partikler i Standard Model, bærebjelkens teori for subatomær fysikk?
Den samme filosofien vil bli brukt på toppkvarken, den minst godt forstått og sjeldneste av kvarkene. Du har sannsynligvis ikke hørt så mye om toppkvarken fordi det er en slags enmann - det var den siste kvarken som ble oppdaget, og vi ser den bare sjelden. Selv i de innledende stadiene vil CLIC produsere rundt 1 million toppkvarker, og gi en statistisk styrke uhørt når man bruker LHC og andre moderne kjørere. Derfra håper teamet bak CLIC å undersøke hvordan toppkvarkpartikkelen forfaller, noe som skjer veldig sjelden. Men med en million av dem, kan du kanskje lære noe.
Men det er ikke alt. Jada, det er en ting å kaste ut Higgs og toppkvarken, men den smarte designen til CLIC gjør det mulig å skyve forbi grensene for Standard Model. Så langt har LHC kommet opp tørt i sine søk etter nye partikler og ny fysikk. Selv om det fremdeles har mange år igjen til å overraske oss, blir håpet synkende etter hvert som tidene går.
Gjennom sin råproduksjon av utallige Higgs-bosoner og toppkvarker, kan CLIC se etter antydninger til ny fysikk. Hvis det er noen eksotiske partikler eller interaksjoner der ute, kan det subtilt påvirke atferden, forfallet og interaksjonen mellom disse to partiklene. CLIC kan til og med produsere partikkelen som er ansvarlig for mørk materie, den mystiske, usynlige materien som endrer himmelens gang. Anlegget vil selvfølgelig ikke kunne se mørk materie (fordi det er mørkt), men fysikere kan se når energi eller momentum har gått glipp av kollisjonshendelsene, et sikkert tegn på at noe funky skjer.
Hvem vet hva CLIC kan oppdage? Men uansett hva, må vi gå utover LHC hvis vi vil ha en anstendig sjanse til å forstå de kjente partiklene i vårt univers og avdekke noen nye.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vert av "Spør en Spaceman" og "Space Radio, "og forfatter av"Din plass i universet."
