Самый мощный ускоритель в мире нашел бозон Хиггса, но может и не найти ничего другого. Что должно быть дальше?
«Не стоит пытаться остановить продвижение знаний. Невежество никогда не бывает лучше, чем знание». - Энрико Ферми
Как вы, наверное, знаете, Большой адронный коллайдер - место открытия последней фундаментальной частицы в Стандартной модели, бозона Хиггса - , является самым энергичным ускорителем частиц в истории человечества. Он был остановлен более чем на год, поскольку они модернизировали машину, и теперь он сталкивается с протонами лоб в лоб с другими протонами с общей энергией столкновения 13 ТэВ, самые энергичные столкновения, когда-либо созданные людьми на Земле.
Это происходит так: протоны циркулируют в гигантском кольце под землей, окружность которого составляет 26 километров, или с радиусом около 4,3 км. Камера внутри кольца полностью вакуумирована, и протоны высокой энергии инжектируются в любом направлении.
Внутри самые мощные из когда-либо созданных серийно выпускаемых электромагнитов охлаждаются всего до пары градусов выше абсолютного нуля с помощью жидкого гелия, так что они становятся сверхпроводящими, чтобы делать две вещи:
- Ускоряйте протоны, когда они проходят мимо, давая им «толчок» электрическим полем, чтобы заставить их двигаться быстрее в направлении движения, и
- Согните протоны по круговой траектории, регулируя электромагнит на каждом повороте, чтобы обеспечить правильное магнитное поле, чтобы предотвратить столкновение протонов внутри или снаружи кольцевой траектории.
Старый рекорд до LHC, для тех из вас, кто следит за счетами, был установлен Фермилабом в Соединенных Штатах, который составлял всего около 6,3 км в окружности или 1 км в радиусе. Фермилаб - , которая имеет свою замечательную историю - , также использовала несколько более старую электромагнитную технологию (поскольку ее расцвет пришелся на 1990-е годы), и поэтому достигла максимальной энергии всего 1,96 ТэВ, встречные протонные и антипротонные пучки с энергией 0,98 ТэВ каждый.
Вы можете задаться вопросом, почему эти круговые ускорители используют для своих столкновений протоны (и, возможно, антипротоны) вместо электронов (и, возможно, позитронов). В конце концов, в отличие от протонов - , которые являются составными частицами, состоящими из кварков, а глюоны - электроны являются одиночными частицами и не только производят более чистые сигналы, которые легче обнаружить, но также могут предоставить всю свою кинетическую энергию для создания новых частиц, в отличие от к протонам, у которых обычно большая часть их кинетической энергии уходит в составные части не сталкивающихся частиц?
Хороший вопрос! Проблема в том, что заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, испускают излучение. Как правило, скорости этих частиц настолько малы по сравнению с массой частицы, что этим излучением, известным как синхротронное излучение, можно пренебречь. Но электрон в 1836 раз легче, чем протон, и имеет такой же заряд, а синхротронное излучение зависит от отношения заряда частицы к массе в четвертом власть. Знаешь, что такое (1836)^4?
Он чертовски огромен! Это около 10 ^ 13, или 10 000, 000, 000, 000. И этого достаточно, чтобы сильно ограничить то, что вы можете сделать с электроном в круге, поэтому рекорд энергии для круговых ускорителей принадлежит протонам и антипротонам..
Проще говоря, больше энергии означает больше возможностей для новых открытий. Если топ-кварк имеет массу 175 ГэВ (в натуральных единицах), то у вас должно быть как минимум 175 ГэВ для создания новых частиц. Теоретически БАК может создавать частицы с энергией примерно до 13 ТэВ; на практике он будет создавать обнаруживаемые частицы с энергией примерно до 1 000-2 500 ГэВ (или 1,0-2,5 ТэВ).
Но если он не увидит ничего, кроме известных частиц в Стандартной модели, это будет особенно беспокоить большинство теоретиков и строителей моделей.
Мы ожидаем, что во Вселенной есть нечто большее, чем то, что мы уже открыли, и настоящая надежда БАК заключается в том, что он не просто найдет бозон Хиггса. Скорее, мы надеялись бы, что он найдет что-то неожиданное, непредвиденное, что было бы признаком новой физики и, возможно, чего-то еще. Не найти ничего нового было бы, мягко говоря, хлопотно.
Но что действительно беспокоит, так это отсутствие амбициозных планов по переходу к более высоким энергиям в ближайшем будущем. Деньги, финансирование и политические ограничения являются главными причинами этого, поэтому следующий план касается ILC или международного линейного коллайдера. Линейные коллайдеры - это то, где сияет электронно-позитронная установка, потому что нет синхротронного излучения, о котором нужно беспокоиться, если вам не нужно сгибать ваши частицы в кольцо. И они позволяют проводить высокоточные исследования вплоть до энергий, которых они достигают; пока они достигнут ~180 ГэВ, они смогут детально изучить каждую известную частицу.
Но, как и многие из вас, я мечтаю о чем-то новом.
Я мечтаю раздвинуть энергетические границы.
И когда я мечтаю, Я мечтаю о большом.
Представьте себе это вместе со мной: самый мощный ускоритель частиц, который только можно придумать.
Ладно, подожди, подожди немного. Что мы здесь воображаем? Как это выглядит? И почему?
Если вы хотите достичь максимально возможной энергии, вы ускоряете протоны по кругу. И если вы спроектируете его идеально, есть только два фактора, которые определяют, насколько энергичным будет ваш луч: сила вашего изгибающегося по кругу магнитного поля (определяемого силой дипольного магнита), которая достигла максимума около 4,5 Тесла в Фермилабе., пик которого составит около 8,3 Тесла на Большом адронном коллайдере, а также радиус вашего круга.
Вот и все
Так что электромагнитная технология продолжает совершенствоваться. В 2010 году мы проделали весь путь до 36 тесла в электромагните, а усовершенствование техники довело его до устойчивых 45 тесла. Эти силы поля пока не совсем достижимы для крупномасштабной реализации, но когда-нибудь могут быть. Но все это нелегко контролировать; магнитная технология развивается в том же темпе, что и мы, люди, не можем полностью контролировать это.
Но знаете, что вы можете контролировать? Размер. Чем больше вы строите ускоритель, тем быстрее летят ваши протоны. И, как я уже сказал, когда я мечтаю, я мечтаю по-крупному.
Величайшая машина мечты сообщества физиков элементарных частиц известна как Фермитрон, ускоритель, который либо движется по окружности Земли, либо существует на стабильной орбите вокруг нее. Это, очевидно, потребует огромного количества инженерных работ, устойчивых инвестиций и международного сотрудничества. Но радиус Земли в среднем составляет 6, 371 км, или примерно в 1500 раз больше радиуса Большого адронного коллайдера.
Это означает, что даже с современной магнитной технологией (такие же магниты используются на БАК) мы могли бы достичь энергий около 20,7 ПэВ, или 20 700 ТэВ! (Помните, что LHC всего 13 ТэВ.) И если мы улучшим существующую технологию электромагнитов, это число только возрастет.
Беспокоитесь о политических препятствиях? Беспокоитесь о нашей сейсмически активной планете? Считаете, что вариант с космическим базированием слишком рискован? Нет проблем, просто найдите поблизости сейсмически тихую скалу и постройте на ней круглое кольцо. Знаешь каких-нибудь кандидатов?
С радиусом 1738 км вокруг экватора Луна - отличное место для создания ускорителя частиц! Мы все еще говорим о многих ПэВ (около 6) энергии с использованием сегодняшних магнитных технологий или почти в 1000 раз больше, чем на энергетическом фронте. Формула для любого протон-протонного (или протон-антипротонного) ускорителя проста: умножьте свой радиус в км на ваше магнитное поле в Теслах, затем умножьте все на 0,4, и вы получите максимальную энергию вашего ускорителя в ТэВ.
Подумайте о машине своей мечты; представьте, что вы построили его радиусом в световой год, и мы смогли бы напрямую проверить теории инфляции и великого объединения!
Вы можете назвать мне все причины, по которым этого не произойдет, не может произойти или не должно произойти, но, в конце концов, есть только одна причина, по которой этого еще не произошло: деньгиУ нас есть технология, чтобы сделать это прямо сейчас, среди многих других вещей. Единственное, что нас останавливает, - это мы сами. Если мы не построим более мощные ускорители, все, что мы сможем сделать для исследования энергетического рубежа, - это надеяться, что нас поразят космические лучи.
Так что мечтайте по-крупному. Вселенная принадлежит нам; мы просто должны сделать так, чтобы это произошло.
Это идеальная машина для физиков высоких энергий во всем мире.
Оставьте нам комментарий на нашем форуме и поддержите Starts With A Bang на Patreon!