Om partikelfysiker får sin väg kan nya acceleratorer en dag granska den mest nyfikna subatomära partikeln i fysiken, Higgs boson. Sex år efter upptäckten av denna partikel vid Large Hadron Collider planerar fysiker enorma nya maskiner som kommer att sträcka sig i tiotals kilometer i Europa, Japan eller Kina.
Nya kollider: vad de kommer att bli
Upptäckten av denna subatomära partikel, som avslöjar massans ursprung, ledde till slutförandet av Standardmodellen, den övergripande teorin om partikelfysik. Och det blev också en milstolpeprestation för LHC, för närvarande världens största accelerator - trots allt byggdes den för att söka efter Higgs boson, men inte bara.
Nu vill fysiker fördjupa djupare i Higgs-bosonens mysterier i hopp om att det kommer att vara nyckeln till att lösa partikelfysikens långvariga problem. "Higgs är en speciell partikel," säger fysiker Yifang Wang, chef för Institute for High Energy Physics i Peking. "Vi tror att Higgs är ett fönster mot framtiden."
Den stora Hadron Collider, även känd som LHC, bestående av en ring på 27 kilometer, inuti vilken protoner accelererar till nästan ljusets hastighet och kolliderar miljarder gånger per sekund, har nästan nått sin gräns. Han gjorde ett utmärkt jobb med att hitta Higgs, men han passar inte för detaljerad forskning.
Därför kräver partikelfysiker en ny partikelcollider speciellt utformad för att lansera högar av Higgs bosoner. Flera mönster har föreslagits för dessa kraftfulla nya maskiner, och forskare hoppas att dessa Higgs-fabriker kan hjälpa till att hitta lösningar på standardmodellens bländande svagheter.
Kampanjvideo:
"Standardmodellen är inte en fullständig teori om universum", säger experimentell partikelfysiker Galina Abramovich från Tel Aviv University. Till exempel förklarar inte denna teori mörk materia, ett oidentifierat ämne vars massa behövs för att redovisa kosmiska iakttagelser såsom stjärnorna i galaxer. Det misslyckas också med att förklara varför universum är tillverkat av materia, medan antimateria är extremt sällsynt.
Förespråkare för de nya kolliderna hävdar att en noggrann undersökning av Higgs-bosonen kunde peka forskare på vägen för att lösa dessa mysterier. Men bland forskare stöds inte önskan efter nya dyra acceleratorer av alla. Dessutom är det inte klart vad exakt sådana maskiner kan hittas.
Nästa på tur
Den första i raden är International Linear Collider i norra Japan. Till skillnad från LHC, där partiklar rör sig i en ring, accelererar MLC två partikelstrålar i en rak linje, direkt ovanpå varandra, längs hela 20 kilometer längd. Och istället för att skjuta protoner ihop, skjuter det elektroner och deras antimateriella partners, positroner.
I december 2018 motsatte sig emellertid en tvärvetenskaplig kommitté från det japanska vetenskapliga rådet projektet och uppmanade regeringen att vara försiktig med sitt stöd och undra om de förväntade vetenskapliga framstegen motiverade kostnaderna för collideren, som för närvarande beräknas till 5 miljarder dollar.
Förespråkare hävdar att MLK: s plan att kollidera elektroner och positroner, snarare än protoner, har flera stora fördelar. Elektroner och positroner är elementära partiklar, det vill säga att de inte har mindre komponenter, och protoner består av mindre partiklar - kvarkar. Detta innebär att protonkollisioner kommer att vara mer kaotiska och skapa mer värdelösa partikeldräkter som måste siktas igenom.
Vid kollisioner av protoner faller dessutom bara en del av energin från varje proton faktiskt i kollisionen, medan partiklar i elektron-positronkolliderare överför den totala energin till kollisionen. Detta innebär att forskare kan ställa in kollisionenergin för att maximera antalet producerade Higgs-bosoner. Samtidigt krävde MLK bara 250 miljarder elektron volt för att producera Higgs-bosoner, jämfört med 13 biljoner elektron volt på LHC.
På MLK kommer "kvaliteten på uppgifterna att bli mycket bättre", säger partikelfysiker Lyn Evans från CERN i Genève. En av varje 100 kollisioner vid MLK kommer att producera Higgs boson, medan vid LHC händer detta en gång var 10 miljarder kollisioner.
Den japanska regeringen förväntas fatta ett beslut om collideren i mars. Evans säger att om MLK godkänns kommer det att ta cirka 12 år att bygga. Senare kan acceleratorn också uppgraderas för att öka den energi den kan nå.
CERN har planer på att bygga en liknande maskin, Compact Linear Collider (CLIC). Det kommer också att kollidera elektroner och positroner, men med högre energier än MLK. Dess energi kommer att börja på 380 miljarder elektron volt och kommer att stiga till 3 biljoner elektron volt i en serie uppdateringar. För att nå dessa högre energier måste ny partikelaccelerationsteknologi utvecklas, vilket innebär att CLIC inte kommer att dyka upp före MLK, säger Evans, som leder forskningssamarbetet för båda projekten.
Kör i en cirkel
De andra två planerade kolliderna, i Kina och Europa, kommer att vara lika runda som LHC, men mycket större: var och en med en omkrets på 100 kilometer. Detta är en tillräckligt stor cirkel för att omge landet Liechtenstein två gånger. Detta är praktiskt taget längden på Moskva ringväg.
Den cirkulära elektron-positroncollideren, vars byggarbetsplats i Kina ännu inte har fastställts, kommer att kollidera 240 miljarder elektron-volt-elektroner och positroner, enligt en konceptplan som officiellt presenterades i november och sponsrad av Wang och Institute for High Energy Physics. Denna accelerator kan senare uppgraderas för att kollidera högenergiprotoner. Forskare säger att de kunde börja bygga denna maskin på 5-6 miljarder dollar år 2022 och slutföra den år 2030.
Och på CERN kommer den föreslagna Future Circular Collider, BKK, också att tas i drift i etapper, kollidera elektroner med positroner och senare protoner. Det ultimata målet kommer att vara att uppnå protonkollisioner med 100 biljoner elektronvolt, mer än sju gånger LHC: s energi.
Samtidigt har forskare stängt av LHC i två år och uppgraderat maskinen så att den går på högre energi. År 2026 kommer LHC med hög ljusstyrka att börja fungera, vilket kommer att öka frekvensen för protonkollisioner med minst fem gånger.
Higgs porträtt
När LHC byggdes var forskarna tillräckligt säkra på att hitta Higgs boson med den. Men med nya maskiner är det inte klart vilka nya partiklar man ska leta efter. De katalogiserar helt enkelt hur starkt Higgs interagerar med andra kända partiklar.
Mätningar av Higgs-interaktioner kan bekräfta förväntningarna på standardmodellen. Men om observationerna skiljer sig från förväntningarna, kan skillnaden indirekt indikera närvaron av något nytt, till exempel de partiklar som utgör mörk materia.
Vissa forskare hoppas att något oväntat kommer att hända. Eftersom Higgs-bosonen själv är ett mysterium: dessa partiklar kondenseras till en melassliknande vätska. Varför? Vi har ingen aning, säger partikelteoretiker Michael Peskin från Stanford University. Denna vätska genomsyrar universumet, saktar ner partiklarna och ger dem vikt.
Ett annat mysterium är att Higgs-massan är en miljon miljarder mindre än väntat. Denna konstighet kan indikera att det finns andra partiklar. Forskare trodde tidigare att de skulle kunna besvara Higgs-problemet med hjälp av supersymmetri-teorin - en konsonant där varje partikel har en tyngre partner. Men detta hände inte, eftersom LHC inte hittade några spår av supersymmetriska partiklar.
Framtida kolliderare kan fortfarande hitta bevis på supersymmetri eller på annat sätt antyda nya partiklar, men den här gången kommer forskare inte att lova. De är nu mer upptagna med att utveckla prioriteringar och framföra argument till förmån för nya kollider och andra experiment inom partikelfysik. En sak är säker: de föreslagna acceleratorerna kommer att utforska okänt territorium med oförutsägbara resultat.
Ilya Khel
