Vuonna 2008 protonisäde vedettiin ensimmäisen kerran maailman tehokkaimman hiukkaskiihdyttimen (Large Hadron Collider) (LHC) ympärille. Nyt, vuosikymmentä myöhemmin, on aika arvioida, mitä olemme oppineet tämän välineen ansiosta ja mitä edessä on.
Tämä kirjanpito sisältää sekä tulevan tutkimuksen, jonka LHC voi suorittaa, että mahdolliset uudet tilat, jotka voisivat törmätä hiukkasiin energioissa, jotka ovat paljon kauempana kuin LHC voi saavuttaa. LHC: lle on ehdotettu kahta tai ehkä kolme mahdollista korvaamista. Katsotaanpa siis, missä olemme ja mihin olemme tulleet viimeisen vuosikymmenen aikana.
LHC: n tarina on sekä innostava että myrskyinen. Tapahtumia voi vaihdella tuhoisista vaurioista instrumentin suurille magneeteille ensimmäisinä operaatiopäivinä aina fööniksin kaltaiseen nousuun siitä tragediasta, jota seuraavat vakavat ja jännittävät löytöt, mukaan lukien Higgsin bosoni. Tämä löytö ansaitsi Peter Higgsin ja Francois Englertin Nobel-palkinnon, koska he olivat ennustaneet hiukkasen yli puoli vuosisataa sitten. On epätavallista, että maailma seuraa nopeasti hiukkasfysiikan uutisia, mutta Higgsin löytö ilmoitti uutislähetyksiä ympäri maailmaa.
Uuden fysiikan löytäminen
Myös fyysikot olivat paikoillaan ja odottivat odottamattomien löytöjen toivoa, mitä he toivoivat. Lähes puoli vuosisataa tutkijoilla on ollut nykyinen teoreettinen ymmärrys alaatomisen aineen käyttäytymisestä. Tätä ymmärrystä kutsutaan hiukkasfysiikan standardimalliksi.
Malli selittää tavallisen aineen molekyylien ja atomien ja jopa pienimpien tunnettujen rakenneosien havaitun käyttäytymisen. Näitä hiukkasia kutsutaan kvarkeiksi ja leptoneiksi, kvarkeista, joita löytyy atomin ytimen muodostavien protonien ja neutronien sisäpuolelta, ja elektronit ovat tunnetuimpia leptoneja. Vakiomalli selittää myös kaikkien tunnettujen voimien käyttäytymisen painovoimaa lukuun ottamatta. Se on todella poikkeuksellinen tieteellinen saavutus.
Vakiomalli ei kuitenkaan selitä kaikkia teoreettisen fysiikan asioita. Se ei selitä miksi kvarkeja ja leptoneja näyttää olevan kolmessa erillisessä, mutta melkein identtisessä kokoonpanossa, joita kutsutaan sukupolviksi. (Miksi kolme? Miksi ei kaksi? Vai Neljä? Tai yksi? Tai 20?) Tämä malli ei selitä miksi maailmankaikkeus on kokonaan materia, kun Albert Einsteinin suhteellisuusteorian yksinkertaisin käsitys sanoo, että maailmankaikkeuden tulisi sisältää myös yhtä suuri määrä antimateriaa.
Vakiomalli ei selitä miksi kosmoksen tutkimukset viittaavat siihen, että atomien tavallinen aine muodostaa vain viisi prosenttia maailmankaikkeuden aineesta ja energiasta. Loppuosan uskotaan koostuvan pimeästä aineesta ja pimeästä energiasta. Tumma aine on aineen muoto, joka kokee vain painovoiman eikä mitään muuta perusvoimaa, kun taas pimeä energia on kosmosta tunkeutuva painovoiman muoto.
Ennen LHC: n ensimmäisiä operaatioita kuten minäkin, fyysikot toivoivat, että atominhaltija auttaisi meitä vastaamaan näihin hämmentäviin kysymyksiin. Yleisimmin mainittua ehdokasteoriaa näiden palapelien selittämiseksi kutsuttiin supersymmetriaksi. Se viittaa siihen, että kaikilla tunnetuilla subatomisilla hiukkasilla on "superpartner" -parikappaleita. Ne puolestaan voisivat selittää tumman aineen ja vastata joihinkin muihin kysymyksiin. Fyysikot eivät kuitenkaan ole havainneet mitään supersymmetriaa. Lisäksi LHC-tiedot ovat sulkeneet pois yksinkertaisimmat teoriat, joissa on supersymmetria. Joten mitä LHC on saavuttanut?
LHC on tehnyt paljon
No, lukuun ottamatta koko Higgsin boson-asiaa, LHC on syöttänyt tietoja neljään suureen kokeelliseen yhteistyöhön, jonka tuloksena on saatu yli 2000 tieteellistä artikkelia. LHC: n sisällä hiukkasia on murskattu toisiinsa energioilla, jotka ovat 6,5 kertaa suuremmat kuin mitä Fermilab Tevatron saavutti, joka piti maailman tehokkaimman hiukkaskiihdyttimen tittelin neljännesvuosisadan ajan, kunnes LHC otti kruunun.
Nämä standardimallin testit olivat erittäin tärkeitä. Jokainen näistä mittauksista olisi voinut olla eri mieltä ennusteiden kanssa, mikä olisi johtanut löytöyn. Kuitenkin osoittautuu, että standardimalli on erittäin hyvä teoria, ja se teki yhtä tarkkoja ennusteita LHC-törmäysenergioissa kuin aikaisemman Tevatronin energiatasoilla.
Joten onko tämä ongelma? Todellisessa mielessä vastaus on kieltävä. Loppujen lopuksi tiede tarkoittaa yhtä paljon väärien uusien ideoiden testaamista ja hylkäämistä kuin oikeiden ajatusten validointia.
Toisaalta ei voida kiistää, että tutkijat olisivat olleet paljon innostuneempia löytää ilmiöitä, joita ei aiemmin ennakoitu. Tämän tyyppiset löytöt ajavat ihmisten tietämystä ja huipentuvat oppikirjojen uudelleenkirjoittamiseen.
LHC-tarina ei ole ohi
Mitä nyt? Onko LHC lopettanut kertoa meille tarinansa? Tuskin. Tutkijat todellakin odottavat parannuksia laitteisiin, jotka auttavat heitä tutkimaan kysymyksiä, joihin he eivät pysty vastaamaan nykyisen tekniikan avulla. LHC suljettiin joulukuun alussa 2018 kahden vuoden kunnostustöihin ja päivityksiin. Kun kaasupolku jatkaa toimintaansa keväällä 2021, se palaa hiukan energian lisääntyessä, mutta kaksinkertainen törmäysten määrä sekunnissa. Ottaen huomioon tulevaisuuden suunnitellut päivitykset, LHC-tutkijat ovat toistaiseksi tallentaneet vain 3 prosenttia odotetusta tiedosta. Kaikkien havaintojen seulominen vie monta vuotta, mutta nykyinen suunnitelma on tallentaa noin 30 kertaa enemmän tietoja kuin tähän mennessä on saatu. Koska tulossa on paljon enemmän tietoja, LHC: llä on vielä paljon tarinoita kertoa.
Silti, kun LHC toimii todennäköisesti vielä 20 vuotta, on täysin järkevää kysyä myös: "Mitä seuraavaksi?" Hiukkasfyysikot ajattelevat jatkohiukkaskiihdyttimen rakentamista LHC: n korvaamiseksi. LHC-perinteen mukaisesti yksi mahdollisuus törmää protonisuihkut yhteen mielenkiintoisissa energioissa - 100 triljoonaa elektronivoltta (TeV), mikä on paljon suurempi kuin LHC: n huipputeho 14 TeV. Mutta näiden energioiden toteuttaminen vaatii kahta asiaa: Ensinnäkin meidän olisi rakennettava magneetteja, jotka ovat kaksi kertaa tehokkaampia kuin ne, jotka työntävät hiukkasia LHC: n ympärille. Sitä pidetään haastavana, mutta saavutettavana. Toiseksi tarvitsemme toisen tunnelin, paljon kuin LHC: nkin, mutta reilusti yli kolme kertaa suurempi ympärillä, pallokentän ympärysmitta on 61 mailia (100 km), noin neljä kertaa suurempi kuin LHC: n.
Mutta mistä tämä iso tunneli rakennetaan, ja miltä se oikeastaan näyttää? Mitkä palkit törmäävät ja millä energialla? No, nämä ovat hyviä kysymyksiä. Emme ole tarpeeksi kaukana suunnittelussa ja päätöksentekoprosessissa vastausten saamiseksi, mutta on kaksi erittäin suurta ja taitava fyysikkojen ryhmää, jotka ajattelevat aiheita, ja ne ovat kumpikin luoneet ehdotuksen uudesta kiihdyttimestä. Yhdessä ehdotuksessa, joka on suurelta osin eurooppalaisten tutkimusryhmien vetämä, kuvitellaan rakentavan suuri lisäkiihdytin, joka todennäköisesti sijaitsee CERN-laboratoriossa aivan Geneven ulkopuolella.
Yhden idean mukaan siellä oleva laitos törmääisi elektronien ja antimateriaalielektronien säteen. Kiihtyvien protonien ja elektronien välisten erojen vuoksi - elektronisuihku menettää enemmän energiaa ympyrärakenteen ympärillä kuin protonisäde -, tämä säde käyttäisi 61 mailin mittaista tunnelia, mutta toimisi pienemmällä energialla kuin jos se olisi protoneja. Toinen ehdotus käyttäisi samaa 61 mailin mittaista kiihdytinä protonien säteiden törmäämiseen. Vaatimaton ehdotus käyttäisi uudelleen nykyistä LHC-tunnelia, mutta tehokkaammilla magneeteilla. Tämä vaihtoehto kaksinkertaistaisi törmäysenergian enemmän kuin LHC voi nyt tehdä, mutta se on halvempi vaihtoehto. Toisessa ehdotuksessa, jota kiinalaiset tutkijat kannattavat suuresti, kuvaillaan täysin uutta laitetta, joka oletettavasti rakennetaan Kiinassa. Tämä kiihdytin olisi myös noin 61 mailia ympäri, ja se törmääisi elektronien ja antimateriaalien elektroneihin yhdessä, ennen kuin se siirtyisi protonin ja protonin välisiin törmäyksiin noin vuonna 2040.
Nämä kaksi potentiaalista hanketta ovat vielä keskusteluvaiheessa. Lopulta näitä ehdotuksia tekevien tiedemiesten on löydettävä hallitus tai hallitusryhmä, joka on valmis laatimaan lakiesityksen. Mutta ennen kuin tämä voi tapahtua, tutkijoiden on määritettävä kyvyt ja tekniikat, joita nämä uudet palvelut mahdollistavat. Molemmat ryhmät julkaisivat äskettäin kattavan ja perusteellisen dokumentoinnin suunnittelustaan. Se ei riitä heidän ehdottamiensa tilojen rakentamiseen, mutta se on tarpeeksi hyvä, jotta voidaan verrata tulevien laboratorioiden ennustettua suorituskykyä ja alkaa koota luotettavia kustannusennusteita.
Tiedon rajan tutkiminen on vaikeaa työtä, ja se voi viedä vuosikymmeniä ensimmäisistä unelmista tämänkaltaisen laitoksen rakentamisesta toiminnan kautta laitoksen sulkemiseen. Kun vietämme LHC: n ensimmäisen palkin kymmenen vuoden vuosipäivää, on syytä arvioida, mitä laitos saavutti ja mitä tulevaisuus tuo. Minusta näyttää siltä, että seuraavan sukupolven tutkijoille on kiinnostavaa tietoa tutkittavaksi. Ja ehkä, vain ehkä, opimme muutama lisää luonnon kiehtovista salaisuuksista.
Don Lincoln on fysiikan tutkija Fermilab. Hän on kirjoittanut "Suuri hadronin kolari: Erinomainen tarina Higgs Bosonista ja muista juttuista, jotka tulevat mieleen"(Johns Hopkins University Press, 2014), ja hän tuottaa joukon luonnontieteiden koulutusta Videot. Seuraa häntä Facebookissa. Tässä kommentissa esitetyt mielipiteet ovat hänen.
Don Lincoln kirjoitti tämän artikkelin Live Science's -elokuvalle Asiantuntijaäänet: Op-Ed & Insights.
