Što nadogradnja donosi CERN-u

Šest godina nakon otkrića, Higgsov bozon potvrđuje predviđanje. Uskoro će nadogradnja na Veliki hadronski sudarač omogućiti znanstvenicima CERN-a da proizvedu više ovih čestica za testiranje Standardnog modela fizike

Događaj kandidata za ATLAS za Higgsov bozon (H) koji se raspada na dva donja kvarka (b), zajedno s W bozonom koji se raspada do miona (μ) i neutrina (ν). (Slika: ATLAS/CERN)

Napisali Rashmi Raniwala i Sudhir Raniwala

Šest godina nakon što je Higgsov bozon otkriven na CERN-ovom Velikom hadronskom sudaraču (LHC), fizičari čestica objavili su prošlog tjedna da su promatrali kako se neuhvatljiva čestica raspada. Nalaz, predstavljen u suradnji ATLAS-a i CMS-a, promatrao je raspadanje Higgsovog bozona do temeljnih čestica poznatih kao donji kvarkovi.

Godine 2012. Nobelovom dobitkom otkriće Higgsovog bozona potvrdilo je Standardni model fizike, koji također predviđa da će se oko 60% vremena Higgsov bozon raspasti na par donjih kvarkova. Prema CERN-u, testiranje ovog predviđanja je ključno jer će rezultat ili dati podršku Standardnom modelu — koji je izgrađen na ideji da Higgsovo polje daje kvarkove i druge fundamentalne čestice masom — ili će uzdrmati njegove temelje i ukazati na novu fiziku.

Higgsov bozon otkriven je proučavanjem sudara čestica različitih energija. Ali traju samo jednu zeptosekundu, što je 0,000000000000000000001 sekunda, pa je za otkrivanje i proučavanje njihovih svojstava potrebna nevjerojatna količina energije i napredni detektori. CERN je ranije ove godine najavio da dobiva veliku nadogradnju, koja će biti dovršena do 2026. godine.

Zašto proučavati čestice?

Fizika čestica ispituje prirodu u ekstremnim razmjerima, kako bi razumjela temeljne sastojke materije. Baš kao što gramatika i vokabular vode (i ograničavaju) našu komunikaciju, čestice međusobno komuniciraju u skladu s određenim pravilima koja su ugrađena u ono što je poznato kao 'četiri temeljne interakcije'. Čestice i tri od ovih interakcija uspješno su opisane jedinstvenim pristupom poznatim kao standardni model. SM je okvir koji je zahtijevao postojanje čestice zvane Higgsov bozon, a jedan od glavnih ciljeva LHC-a bio je potraga za Higgsovim bozonom.

Kako se proučavaju takve sitne čestice?

Protoni se skupljaju u gomile, ubrzavaju do brzine svjetlosti i tjeraju da se sudare. Mnoge čestice nastaju iz takvog sudara, nazvanog događajem. Čestice koje se pojavljuju pokazuju naizgled nasumičan obrazac, ali slijede temeljne zakone koji upravljaju dijelom njihovog ponašanja. Proučavanje obrazaca u emisiji tih čestica pomaže nam razumjeti svojstva i strukturu čestica.

U početku je LHC pružao sudare neviđenih energija što nam je omogućilo da se usredotočimo na proučavanje novih teritorija. No, sada je vrijeme da povećamo potencijal otkrića LHC-a snimanjem većeg broja događaja.

(Izvor: CERN)

Dakle, što će značiti nadogradnja?

Nakon otkrića Higgsovog bozona, neophodno je proučiti svojstva novootkrivene čestice i njezin učinak na sve ostale čestice. Za to je potreban veliki broj Higgsovih bozona. SM ima svojih nedostataka, a postoje alternativni modeli koji popunjavaju te praznine. Valjanost ovih i drugih modela koji daju alternativu SM-u može se testirati eksperimentiranjem kako bi se provjerila njihova predviđanja. Neka od ovih predviđanja, uključujući signale za tamnu tvar, supersimetrične čestice i druge duboke misterije prirode, vrlo su rijetka i stoga ih je teško promatrati, što dodatno iziskuje potrebu za LHC-om visoke svjetlosti (HL-LHC).

Zamislite da pokušavate pronaći rijetku raznolikost dijamanata među vrlo velikim brojem komada naizgled sličnog izgleda. Vrijeme potrebno za pronalaženje željenog dijamanta ovisit će o broju komada danih po jedinici vremena za inspekciju i vremenu potrebnom za inspekciju. Da bismo brže izvršili ovaj zadatak, moramo povećati broj priloženih komada i brže pregledati. U tom procesu mogu se otkriti neki novi komadi dijamanata, dosad nezapaženi i nepoznati, što će promijeniti našu perspektivu o rijetkim vrstama dijamanata.

Nakon nadogradnje, stopa sudara će se povećati, a time i vjerojatnost većine rijetkih događaja. Osim toga, razlučivanje svojstava Higgsovog bozona zahtijevat će njihovu obilnu opskrbu. Nakon nadogradnje, ukupan broj Higgsovih bozona proizvedenih u jednoj godini može biti oko 5 puta veći od broja proizvedenih trenutno; a u istom trajanju, ukupno zabilježeni podaci mogu biti više od 20 puta.

Uz predloženu luminoznost (mjeru broja protona koji prelaze po jedinici površine u jedinici vremena) HL-LHC-a, eksperimenti će moći zabilježiti oko 25 puta više podataka u istom razdoblju kao i za LHC koji radi. Zraka u LHC-u ima oko 2800 snopova, od kojih svaki sadrži oko 115 milijardi protona. HL-LHC će imati oko 170 milijardi protona u svakoj grupi, što će pridonijeti povećanju svjetline za faktor od 1,5.

Kako će se nadograditi?

Protoni se drže zajedno u hrpi pomoću jakih magnetskih polja posebnih vrsta, formiranih pomoću kvadrupolnih magneta. Fokusiranje gomile na manju veličinu zahtijeva jača polja, a time i veće struje, što zahtijeva upotrebu supravodljivih kabela. Novije tehnologije i novi materijal (niobij-kosit) koristit će se za proizvodnju potrebnih jakih magnetskih polja koja su 1,5 puta veća od sadašnjih polja (8-12 tesla).

Ispituje se stvaranje dugih zavojnica za takva polja. Nova oprema bit će instalirana na 1,2 km LHC prstena od 27 km u blizini dva velika eksperimenta (ATLAS i CMS), za fokusiranje i stiskanje grozdova neposredno prije njihovog križanja.

Stotimetarski kabeli od supravodljivog materijala (supervodljive veze) kapaciteta do 100.000 ampera koristit će se za spajanje pretvarača snage na akcelerator. LHC dobiva protone iz lanca akceleratora, koji će također morati biti nadograđen kako bi zadovoljio zahtjeve visoke svjetlosti.

Budući da je duljina svake hrpe nekoliko cm, da bi se povećao broj sudara, stvara se blagi nagib u grozdovima neposredno prije sudara kako bi se povećala efektivna površina preklapanja. To se radi pomoću 'rakova šupljina'.

Zajednica eksperimentalne fizike čestica u Indiji aktivno je sudjelovala u eksperimentima ALICE i CMS. HL-LHC će zahtijevati i njihovu nadogradnju. I dizajn i izrada novih detektora, kao i analiza podataka koja slijedi, imat će značajan doprinos indijskih znanstvenika.

Podijelite Sa Svojim Prijateljima: