Parçacık fiziğinin geleceği konusunda kafanız mı karıştı? Bilinmeyen alanları keşfetmek için fiziğin sınırlarını ilerletin
Fiziği ileriye itmezsek, bilinmeyenin bilinenin ötesinde ne olduğunu asla bilemeyeceğiz.
En temel bakış açısına göre, evren neden yapılmıştır? Bu sorun, bilim insanlarını yüzlerce yıldır bilimi sürekli olarak ilerletmeye itmiştir. Keşfedilebilecek tüm yönleri keşfetmiş olsak bile, hala biraz bilim bilgisine sahibiz. Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) Higgs bozonunu keşfetmiş ve bu yüzyılın başında Standart Modeli oluşturmuş olsa da, bildiğimiz toplam parçacık sayısı tüm evrenin enerjisinin yalnızca% 5'ini oluşturuyor.
Karanlık maddenin ne olduğunu bilmiyoruz, ancak dolaylı kanıtlar, karanlık enerji gibi çok büyük. Ya da nötrinolar kütlesiz değilken temel parçacıkların neden kütleye sahip olduğu ya da "evren neden antimadde değil maddeden yapılmıştır?" Gibi sorular. Şu anda, mevcut araçlarımız ve araştırmalarımız, varoluşun gizemi hakkındaki bu çağdaş fizik sorularına cevap veremiyor. Parçacık fiziği şu anda çok büyük bir ikilemle karşı karşıyadır: Çok çalışmaya devam edin ya da pes edin.
Örnek: Parçacık fiziğinin standart modeli, dört kuvvetten üçünü açıklar (yerçekimi hariç). Keşfedilen bir dizi parçacık ve aralarındaki çeşitli etkileşimler. Ek parçacıkların ve / veya çarpıştırıcı tarafından üretilen saptanabilir etkileşim kuvvetlerinin olup olmadığı tartışmalı konulardır. Ancak bilinen enerji sınırlarının ötesini keşfedersek, neyin uygun olduğunu bileceğiz. (Kısa Süreli Fizik Öğretim Projesi / Enerji Bölümü / Ulusal Bilim Vakfı / Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı)
Parçacıkların ve etkileşimlerin, parçacık fiziğinin standart modeli artı yerçekimi, karanlık madde ve karanlık enerji tarafından kontrol edildiğini hepimiz biliyoruz. Parçacık fiziği deneylerinde Standart Model bağımsız olarak kontrol edilebilir. 6 kuark, yüklü lepton ve nötrinolar, gluonlar, fotonlar, standart bozonlar ve Higgs bozonlarının hepsi bundan tahmin edilmektedir. Ve sadece her tür parçacık keşfedilmemiş, özellikleri de testlerle doğrulanmıştır. Sonuç olarak, Standart Model kendi başarısına tanık olmuş olabilir. Her parçacığın ve karşıt parçacığın kütlesi, dönüşü, ömrü, etkileşim kuvveti ve bozunma hızı hesaplanmıştır ve hepsi Standart Modelin tüm tahminlerini karşılamaktadır.
Evrenimizin henüz çözülmemiş çok sayıda gizemi vardır ve parçacık fiziği bu gizemlerin nasıl ve nerede çözüleceğine dair deneysel talimatlar veremez.
Örnek: Son ısrarla, Standart Modeldeki parçacıklar ve antiparçacıklar nihayet tespit edildi Higgs bozonu da bu yüzyılın başında LHC'de ortaya çıktı. Tüm bu parçacıklar, LHC'nin enerjisi ile üretilebilir ve bu parçacıkların kütlesi, onları açıkça tanımlayabilen temel sabiti belirler. Standart Modele göre, kuantum alan teorisi bu parçacıkları iyi tanımlayabilir, ancak karanlık madde gibi her şeyi tanımlayamazlar. (Ethan Siegel / Samanyolu'nun Ötesinde)
Kulağa cazip geliyor, bu yüzden bir süper parçacık çarpıştırıcısı yapmanın çaba israfı olabileceğini varsaymak. Aslında bu durum hala mümkündür. Parçacık fiziğinin Standart Modeli, parçacıklar arasında meydana gelen eşleşmenin açık tahminlerine sahiptir. Hala bazı zayıf yerleşik parametreler var ve gelecek nesil çarpıştırıcıların yeni parçacıkları keşfetmeyeceğini hayal etmek zor değil.
En ağır standart model parçacığı, üretmek için 180 gigavolt enerji gerektiren t-kuarktır. LHC'nin enerjisi 14 trilyon volta ulaştığında (bir t-kuark için gereken enerjinin yaklaşık 80 katı), enerjinin bir milyon katından fazla olmadığı sürece yeni parçacıklar bulamayabiliriz. Bu aynı zamanda en endişe verici olanıdır: teorik olarak var olan "enerji çölü", büyüklük dereceleri ile genişledi.
Örnek: Standart Modelin ötesinde yeni fizik mevcut olmalı, ancak Dünya'daki mevcut çarpıştırıcı tarafından üretilen enerjinin mevcut seviyeyi çok aşmasını beklemek zorunda kalabilir. Bu nedenle, bu varsayım doğru veya yanlıştır ve yapabileceğimiz tek şey beklemek ve görmektir. Aynı zamanda, gelecekteki çarpıştırıcı, parçacıkları diğer araçlardan daha derinlemesine keşfetmemize izin verecek. Şimdiye kadar LHC, bilinen standart modelin ötesinde herhangi bir parçacık gösteremedi. (Evreni inceleyin. CA)
Ancak, şu anda araştırdığımızın ötesinde, ılımlı bir ölçekte ortaya çıkan yeni fizik hala olabilir. Standart modeldeki birçok teorik uzantı yaygındır.Bu uzantılarda, standart modelden birçok öngörü sapması yeni nesil çarpıştırıcı tarafından algılanabilir.
Evrenin gerçek gizeminin ne olduğunu bilmek istiyorsak, gözlemlemeliyiz. Bu, parçacık fiziği araştırmalarının mevcut sınırını tamamen yeni ve bilinmeyen bir alana itmek anlamına geliyor. Şimdi, tartışmanın odak noktası çeşitlendirme ve her iki taraf da farklı görüşlere sahip. Ancak kurtulamadığımız bir kabus daha var ... Hiçbir şey göremediğimizden, keşfedemeyeceğimizden değil ama içsel mücadele ve birleşememe deneysel fiziğin her zaman başarısız olmasına neden olacak, bu da bizim bir sonraki nesle sahip olmamızı engelleyecektir. Çarpıştırıcı.
Örnek: Varsayımsal bir yeni hızlandırıcı, çok uzun, doğrusal bir cihaz olabilir veya yeni parçacıkların hassasiyetini azaltacak devasa bir yeraltı tünelinde inşa edilmiş olabilir.Bu, önceki ve mevcut çarpıştırıcılarla mümkün değildir. Geldi. ne zaman Eğer başarabilirsek, yeni parçacıklar bulacağımızı garanti edemeyiz, ancak herhangi bir girişimde bulunmazsak hiçbir şey bulamayız. (Uluslararası Doğrusal Çarpıştırıcı (ILC) Ortak Laboratuvarı)
Daha sonra ne tür bir çarpıştırıcı oluşturacağınıza karar verirken, iki genel seçenek vardır: Lepton Çarpıştırıcısı (elektronlar ve pozitronlar hızlanır ve çarpışır); diğeri Proton Çarpıştırıcısıdır (protonlar hızlanır ve çarpışır) . Lepton Çarpıştırıcısının avantajları şunlardır:
- Leptonlar, kompozit parçacıklardan ziyade nokta parçacıklardır.
- Çarpışmanın ürettiği yeni parçacıklar, elektronların ve pozitronların çarpışmasıyla üretilen enerjinin% 100'ünü miras alacak,
- Sinyal kalitesi iyidir ve yakalanması kolaydır,
- Ve enerji kontrol edilebilir, yani yeni parçacıklar üretme olasılığını en üst düzeye çıkarmak için enerjiyi belirli bir orana ayarlamayı seçebiliriz.
Genel olarak, Lepton Çarpıştırıcısı hassas araştırmalar için uygundur ve büyük elektron-pozitron çarpıştırıcısı yaklaşık 20 yıl önce kullanılmaya başlandığından bu yana, hiçbir zaman son teknoloji ekipmanlara sahip olmadık.
Örnek: Çeşitli elektron / pozitron (lepton) çarpıştırıcılarının kütle merkezi enerjisinde, çeşitli Higgs parçacıklarının oluşum mekanizması hissedilir enerji elde edebilir. Toroidal çarpıştırıcı, daha yüksek bir çarpışma oranı ve daha fazla W, Z, H, t parçacığı çıkış hızı elde edebilir; doğrusal çarpıştırıcı, Higgs parçacıklarını incelememize izin vererek daha yüksek bir enerji değeri elde edebilir. Halka çarpıştırıcı bunu yapamaz. Bu aynı zamanda doğrusal lepton çarpıştırıcısının önemli bir avantajıdır. Yalnızca düşük enerji tüketiyorlarsa (daha önce bahsedilen ILC gibi), o zaman bir halka çarpıştırıcı seçmemek için bir neden yoktur. H. ABRAMOWICZ ET AL., EUR. PHYS. J. C 77, 475 (2017)
Umut zayıf olsa da, doğa Lepton Çarpıştırıcısının doğrudan yeni bir parçacığı keşfetmesine izin vermedikçe, Standart Modeldeki parçacıkların ötesinde dolaylı kanıtlar bulmak için kumar oynamak daha iyi olacaktır. W ve Z bozonlarını, Higgs parçacıkları, t-kuarkları ve Lepton Çarpıştırıcısının bunları çeşitli boru hatları aracılığıyla büyük miktarlarda üretebileceğini keşfettik.
Ne kadar ilginç projeler inşa edersek, standart modelin araştırması ve keşfi o kadar derin olacaktır. Örneğin, LHC, standart model% 1 seviyesine (standart) düşerse Higgs parçacıklarının her zamanki gibi hareket etmeye devam edip etmeyeceğini söyleyebilir. Standart modelin kapsamlı bir genişletilmiş serisinde, ~% 0,1'lik bir sapmaya izin verilir ve bu, gelecekteki lepton çarpıştırıcıları için en makul fiziksel limiti sağlayabilir.
Örnek: Gözlemlenen bir Higgs parçacık bozunma yolu VS için. ATLAS (Hypertoroidal Instruments) ve CMS'den (İçerik Yönetim Sistemi) en son verileri içeren standart model protokolü, şok edici ve sinir bozucu. 2030'a kadar LHC, verilerin yaklaşık 50 katını elde edecek, ancak birçok bozulma yolunun doğruluğu yalnızca çok küçük bir oran. Gelecekteki çarpıştırıcılar, bu oranı, potansiyel yeni parçacıkların varlığını gösteren birden çok büyüklük derecesinde artırmalıdır.
Bu tür ince araştırmalar, henüz keşfetmediğimiz parçacıklara veya iç kuvvetlere karşı hayal edilemez bir hassasiyete sahiptir. Yeni bir parçacık yarattığımızda, belirli bir dizi dal oranına sahip olacak ve ayrıca birden fazla bozunma yoluna sahip olabilir. Standart model, bu oranlar için doğru tahminler sağlar. Bu nedenle, milyonlarca, trilyonlarca, trilyonlarca bu tür parçacığı üretirsek, dal oranı değerlerinin hesaplanması eşi görülmemiş bir hassasiyete ulaşacaktır.
Daha makul bir fiziksel sınır elde etmek istiyorsanız, daha iyi verilere ihtiyacınız var. Bu sadece teknik bir değerlendirme değildir. Bir sonraki adım, hangi tür çarpıştırıcının kullanılacağına karar vermektir.Mükemmel yeteneklerin, altyapının ve desteğin nerede ve nasıl elde edileceğini ve nerede inşa edilebileceğini (veya doğrudan mevcut temel üzerine). ) Güçlü bir deneysel ve ideal fiziksel topluluk.
Örnek: LHC fiziğinin ideal bir çalışmasını oluşturmak için parçacık fiziği topluluğuna doğrusal bir lepton çarpıştırıcısı bağlayın.Bu fikir onlarca yıl önce vardı, ancak LHC'nin Higgs'den farklı bulunabileceği gerçeğine dayanmaktadır. Yeni parçacık hipotezi. Standart Modeldeki parçacıkların doğru testiyle yeni fizik üzerine dolaylı araştırma yapmak istiyorsak, doğrusal çarpıştırıcı halka çarpıştırıcı kadar iyi değildir.
Genellikle iki tür lepton çarpıştırıcısı vardır: halka tipi ve doğrusal tip. Doğrusal çarpıştırıcının prensibi çok basittir: parçacıkları düz bir çizgide hızlandırın ve onları orta noktada çarpıştırın İvme teknolojisi mükemmelse, 11 kilometre uzunluğundaki doğrusal çarpıştırıcı 380 gigavolt enerjiye ulaşabilir ki bu yeterlidir. W, Z, Higgs parçacıkları üretin veya maksimum çıktı değerine ulaşın. 29 kilometrelik doğrusal çarpıştırıcı, 1.5 trilyon megavoltluk bir enerjiye sahiptir ve 50 kilometrelik bir kilometre 3 trilyon megavolta ulaşabilir. Elbette uzunluk arttıkça inşaat maliyeti astronomik rakamlara yükselecektir.
Aynı enerji seviyesinde lineer tip halka tipine göre daha ucuzdur, çünkü aynı enerji daha küçük bir boru kazılarak elde edilebilir ve senkrotron radyasyonunun neden olduğu enerji kaybına katlanmaya gerek yoktur, böylece daha fazla uyarabilirler. Çok fazla potansiyel enerji. Ancak halka çarpıştırıcıların büyük bir avantajı vardır ve daha fazla parçacık ve çarpışma üretebilirler.
Örnek: Gelecekte halka çarpıştırıcının inşası sadece bir öneridir.2030'a kadar LHC'nin yavruları, mevcut yeraltı boru hattının dört katı olan 100 kilometrelik bir çevreye ulaşacak. Mevcut manyetik teknoloji altında, lepton çarpıştırıcısının W, Z, H, t parçacıklarının çıktısı, geçmişteki ve mevcut çarpıştırıcıların çıktılarından ~ 1 kat daha yüksek olacaktır. (CERN (Avrupa Nükleer Araştırma Konseyi) / FCC (Federal İletişim Komisyonu) Araştırması)
Doğrusal bir çarpıştırıcı, önceki nesil çarpıştırıcılardan (LEP gibi) (enerji miktarına bağlı olarak) 10 ila 100 kat daha fazla çarpışma üretebiliyorsa, halka çarpıştırıcı bunu kolayca yapabilir: üretimde Z bozonunu üretmek için gereken enerji değerinin altında, 10.000 kez çarpışma meydana gelir.
Toroidal çarpıştırıcı, doğrusal çarpıştırıcıdan daha yüksek bir Higgs parçacığı üretme oranına sahip olmasına rağmen, t-kuarkları üretmenin enerji gereksinimindeki avantajını kaybeder ve doğrusal çarpıştırıcıyı hiç geçemez. Bu noktada, doğrusal çarpıştırıcı mutlak bir baskın konuma sahiptir.
Bu ağır parçacıklarda meydana gelen tüm bozulma ve üretim süreçleri çarpışma sayısına veya çarpışma sayısının kareköküne ölçeklendiğinden, halka çarpıştırıcısı fiziği derinlemesine keşfetme potansiyeline sahiptir ve hassasiyeti doğrusal çarpıştırıcının birkaç katıdır. Çok.
Çok sayıda farklı lepton çarpıştırıcısı, parlaklıkları (çarpışma oranını ve tespit sayısını ölçmek için kullanılır), kütledeki çarpışma enerjisinin işlevine benzer. Kırmızı çizgiye dikkat edin, bu, doğrusal çarpıştırıcıdan daha fazla çarpışma sağlayan halka çarpıştırıcı için bir seçenektir. Ancak enerji arttıkça avantaj azalacaktır. Yaklaşık 380 gigavolt'un üzerinde, toroidal çarpıştırıcı sınırına ulaştı ve CLIC gibi doğrusal bir çarpıştırıcı en iyi seçimdir. (Granada Strateji Konferansı Slaytları / LUCIE LINSSEN (Özel İletişim))
Önerilen FCC-ee veya lepton seviyesindeki halka çarpıştırıcı, W, Z, H, t parçacıkları ile birleşmiş yeni parçacıkların dolaylı kanıtlarının keşfini belirleyecek ve enerjisi 70 trilyon volta ulaşacaktır: bu LHC'dir. Maksimum enerjinin 5 katı.
Lepton Çarpıştırıcısı'na karşılık gelen Proton Çarpıştırıcısıdır.Bu son derece güçlü makineler arasında özünün, doğrusal bir çarpıştırıcı ile tamamlanamayan bir Gluon Çarpıştırıcısı olduğu söylenebilir, halka şeklinde bir çarpıştırıcı olmalıdır. Çarpışma.
Örnek: Daha önce bahsedilen FCC ölçeği, şu anda CERN'de inşa edilen LHC ve Fermilab'da çalıştırılan trilyon voltluk elektron hızlandırıcı ile karşılaştırılmıştır. FCC, şimdiye kadarki en umut verici yeni nesil teklif çifti olabilir. Çarpıştırıcı - önerilen bilimsel planının çeşitli aşamaları olarak lepton ve protonlardan oluşan iki seçeneği içerir. (Pacharito / Wikipedia)
İnşaatla ilgili olarak, aslında gereksinimleri karşılayan tek bir yer var ve bu da Avrupa Nükleer Araştırma Komisyonu (CERN). Çünkü bu sadece yeni ve devasa bir boru hattını değil, önceki dönemlerin tüm altyapısını da gerektiriyor ve sadece CERN bu gereksinimlere sahip. (Bunu başka bir yerde de inşa edebiliriz, ancak LHC ve önceki SPS gibi zaten belirli bir temeli olan bir yerle karşılaştırıldığında, maliyet çok daha yüksektir.)
Tıpkı LHC'nin önceki LEP tarafından işgal edilen kanalı işgal etmesi gibi, halka çarpıştırıcı da daha önce bahsedilen FCC-pp gibi yeni nesil halka proton çarpıştırıcısı ile değiştirilebilir. Bununla birlikte, keşifsel bir proton çarpıştırıcısı ile hassas bir lepton çarpıştırıcısını aynı anda çalıştıramazsınız, biri ancak emekli olduğunda çalıştırılabilir.
Örnek: CERN'deki CMS detektörü şimdiye kadarki en güçlü iki partikül detektöründen biridir Ortalama olarak, her 25 nanosaniyede bir, içinde yeni bir partikül ışını üretilir. İster lepton ister proton çarpıştırıcı olsun, yeni nesil dedektörler, daha hızlı ve daha yüksek doğrulukta mevcut CMS veya ATLAS dedektörlerinden daha fazla veri kaydetme eğilimindedir. (CERN)
Doğru kararı vermek çok önemlidir, çünkü doğanın keşfettiklerimizin ötesinde hangi sırları sakladığını bilmiyoruz. Potansiyel yeni keşiflerin kilidini doğrudan açmak için daha fazla enerji kullanmak, yeni fiziğin varlığının güçlü doğrudan kanıtı olarak daha yüksek doğruluk ve daha fazla istatistiksel veri ile sonuçlanacaktır.
İlk lineer çarpıştırıcının yapım maliyeti boru hatları dahil yaklaşık 50-7 milyar ABD doları iken, proton çarpıştırıcısının yarıçapı LHC'nin 4 katı, manyetik kuvvet 2 katıydı ve çarpışma oranı 10 katıydı.Ayrıca, yeni nesil bilgisayar Nem alma ve soğutma ekipmanının maliyeti 22 milyar ABD doları kadar yüksek olacak, bu sıçrama rakamı, trilyon voltluk elektron hızlandırıcının yerini alan LHC'ye eşdeğer. Aynı boru hattında halka tipi bir lepton ve bir proton çarpıştırıcısı inşa edersek, LHC 1930'ların sonlarında çalışmayı durdurduktan sonra çok fazla para tasarrufu sağlayabilir ve deneysel parçacık fiziği için bir çıkış yolu sağlayabiliriz.
Örnek: Standart model parçacıkların% 50'sinden azı (sadece birazcık) ve bunların süpersimetrik kopyaları keşfedildi ve% 50'den fazlası varoluşlarından hiçbir zaman iz bırakmadı. Süpersimetri sadece bir kavramdır ve standart modeli geliştirme ümidine sahiptir, ancak evren hakkında mevcut teorilerin yerini alacak doğru tahminlerde bulunmamıştır. Bununla birlikte, yeni çarpıştırıcı süpersimetri veya karanlık maddeyi bulmak için değil, rutin araştırma görevlerini gerçekleştirmek için kullanılacaktır. Ne keşfederlerse keşfetsinler, evren hakkında yeni bir anlayışa sahip olacağız. (Claire David / CERN)
Unutulmaması gereken bir şey, standart modelde sadece süpersimetri, karanlık madde veya diğer özel maddeleri aramadığımızdır. Mevcut anlayış seviyemizin üzerinde yeni fizik olması gerektiğini gösteren birçok sorumuz ve şüphemiz var ve bilime olan merakımız bizi sürekli gözlem yapmaya teşvik ediyor. Hangi makineyi yapacağımızı seçerken, işletme verimliliğini seçmek çok önemlidir.Belirli bir enerji altında en çok çarpışmayı yapanlar bizi daha çok ilgilendirecektir.
Hangi spesifik / spesifik projeleri seçerlerse seçsinler, bazı ödünleşimler vardır. Doğrusal çarpıştırıcı her zaman halka çarpıştırıcısından daha yüksek bir enerji değerine ulaşacak ve halka çarpıştırıcı daha fazla çarpışma ve daha yüksek doğruluk üretecektir.
Bu şema, standart modelin yapısını gösterir (temel ilişkileri ve örüntüleri daha yaygın 4 * 4 parçacık tabanlı resimlerden daha eksiksiz göstermek, yanıltıcılığı azaltmak için).
Örnek: Bu simge özellikle standart model altındaki tüm parçacıkları içerir (bilimsel isimleri, kütleleri, dönüşleri, asimetri, yükleri ve standart bozonla, yani güçlü ve zayıf kuvvetlerle etkileşimleri dahil). Aynı zamanda Higgs bozonunun rolünü, elektrozayıf simetri kırılmasının yapısını işaretler ve Higgs beklenti değerinin elektrozayıf simetriyi nasıl yok ettiğini ve bunun sonucunda diğer parçacıkların özelliklerinin nasıl değiştiğini gösterir. Bir çift Z bozonu, kuark ve leptonun nötrino kanalı yoluyla bozulacağı unutulmamalıdır. (Ratam Boyle ve Marduz / Wikimedia Commons)
Bu başarılı olacak mı? Ne bulursak bulalım, cevap şüphesiz "evet" olacaktır. Deneysel fizikte başarı sadece yeni şeyler keşfetmekle ilgili değildir, bazı insanlar böyle yanlış anlamalara sahiptir. Başarı "bir şeyi bilmek" demektir Deney tamamlandıktan sonra, deneyden önce bilmediğiniz bazı şeyleri bilirsiniz, bu da bilinen alanın gelişimini teşvik eder.Hem lepton çarpıştırıcısını hem de proton çiftini istiyoruz. Elde edebileceğimiz en yüksek enerji ve maksimum çarpışma oranına ulaşmak için çarpışma.
Hiç şüphe yok ki, hangi tür çarpıştırıcı yeni teknoloji ve katma değerli faydalar getirecek olursa olsun, tüm bunları yapmamızın nedeni bu değil. Doğanın en derin gizemlerini, LHC ile çözülemeyen zor sorunları keşfetmemiz gerekiyor. Makine ve ekipman yapmak için teknoloji, insan gücü ve uygulamalı teknolojiye sahibiz İhtiyacımız olan şey, insan uygarlığının bir parçası olarak finans ve doğanın nihai hakikatinin peşinde koşmaktır.
Referans
1. Wikipedia Ansiklopedisi
2. Astronomik terimler
3. Ethan Siegel- ISHUCA · Yiu
İlgili herhangi bir içerik ihlali varsa, silmek için lütfen 30 gün içinde yazarla iletişime geçin
Lütfen yeniden basım için yetki alın ve bütünlüğü korumaya ve kaynağı belirtmeye dikkat edin
