Urýchľovače budúcnosti – čo bude po LHC?

Veľký hadrónový urýchľovač (Large Hadron Collider, LHC), najzložitejší stroj v histórii, na ktorého výstavbe sa protredníctvom projektu LHC@home svojou kvapkou podieľali aj účastníci platformy BOINC, je bezpochyby najmodernejší časticový urýchľovač. Skupina vedcov z CERN nedávno skúmala rôzne scenáre ďalšieho vývoja, ktoré by mohli vyplynúť zo zrážok atómových jadier v tomto stroji – vrátane toho, ako môžu ovplyvniť stavbu urýchľovačov v budúcnosti. Načrtnime si základné body každého z týchto scenárov.

Objavenie Higgsa

Čo bude znamenať objavenie Higgsovho bozónu?

Ak sa vlastnosti Higgsovho bozónu (častice zodpovednej za hmotnosti ostatných častíc) budú zhodovať s predpoveďami štandardného modelu časticovej fyziky (najkomplexnejšej teórie veľmi dobre popisujúcej pozorovanú stavbu a zloženie hmoty vesmíru), mal by byť objavený do troch rokov. Objav by potvrdil, že Higgsove pole napĺňa celý vesmír a „požičiava“ hmotnosť všetkým ostatným časticiam. Naopak Higgsov bozón, ktorý by nezapadal do štandardného modelu, by sa mohol nájsť ešte skôr, pretože pravdepodobne by mal byť ľahší a teda pri vysokoenergetických zrážkach ťažkých častíc produkovaný vo väčšom množstve.

Čo ďalej?                   

Super LHC (pre bližšie informácie o tu zmieňovaných nových urýchľovačoch pozri záverečné sekcie tohto článku) bude schopný produkovať viac zrážok za sekundu a bude mať väčšiu presnosť ako LHC, a bude schopný začať detailne skúmať vlastnosti Higgsovho bozónu. Jeho schopnosť dosiahnuť vyššie energie bude užitočná špeciálne v prípade, ak sa ukáže, že Higgs bude mať veľkú hmotnosť – napriek tomu, že vhodnejší by bol lineárny urýchľovač. Kompaktný lineárny urýchľovač by mal oproti Medzinárodnému lineárnemu urýchľovaču výhodu v podobe vyššej energie zrážok.

Žiaden Higgs.

Čo sa stane ak žiaden Higgsov bozón neobjavíme?

Ak ani po troch rokoch prevádzky pri maximálnej energii LHC žiaden Higgsov bozón neobjaví, bude to znamenať existenciu komplikovanejšieho Higgsovho poľa. Môže to nastať v prípade, ak by sa Higgs rozpadal na také známe častice, ktoré sú na LHC ťažko zachytiteľné, alebo ak by sa rozpadal dokonca na neviditeľné častice – také, ktoré s detektorom vôbec neinteragujú.
Neúspech by mohol znamenať aj existenciu Higgsovho bozónu s inou hmotnosťou, čo by malo za následok problematickejšie podmienky pre jeho objav. Prípadne by to znamenalo exotickejšie Higgsovo pole – možno napr. s viacerými Higgsovými bozónmi navzájom interagujúcimi doposiaľ neznámym spôsobom.

Čo ďalej?         

Na vysvetlenie hmotnosti častíc budú zvažované aj ďalšie mechanizmy. Napr. pri kolízii dvoch W bozónov (sprostredkovateľov slabej jadrovej interakcie) by mal vzniknúť práve Higgs. Ak však žiaden Higgs neexistuje, tak potom akýkoľvek produkt zrážky W bozónov by mal vniesť viac svetla do vysvetlenia hmotnosti častíc a teda bude prirodzeným predmetom záujmu vedcov. Tento proces bude môcť byť podrobne skúmaný práve pomocou Super LHC.
Neobjavenie Higgsa na LHC bude zlou správou pre Medzinárodný lineárny urýchľovač, pretože ten bude schopný dosiahnuť nižšiu energiu ako LHC a teda nebude môcť pátrať po príliš hmotnom Higgsovom bozóne. Kompaktný lineárny urýchľovač bude v tom prípade lepšia voľba.

Supersymetria          

Čo bude znamenať dôkaz existencie supersymetrie?

Supersymetria (SUSY) je teória tvrdiaca, že každá častica štandardného modelu má svojho partnera. Na rozdiel od Higgsa sa však tieto častice neukážu priamo. V niektorých modeloch by tieto častice mali prejsť cez detektor bez toho, žeby ich zachytil. Ich prítomnosť v zrážkach by sa dala zistiť iba nepriamo – z chýbajúcej energie, ktorú si odnášajú. V najpravdepodobnejšej verzii SUSY by takéto častice mali byť objavené v prvom roku plnej prevádzky LHC. Najľahšia zo supersymetrických častíc je zároveň veľmi horúcim kandidátom na tmavú hmotu.

Čo ďalej?                 

Super LHC bude môcť začať merať hmotnosť a ďalšie vlastnosti väčšiny SUSY častíc a bude schopný zachytiť neočakávane hmotné častice mimo dosahu LHC. Avšak na detailné štúdium SUSY je oveľa vhodnejší lineárny urýchľovač, pretože energia  elektrónov a pozitrónov (antičastíc elektrónu) v okamihu zrážky je presne známa, na rozdiel od LHC (a Super LHC), kde energia kvarkov a gluónov (častíc, z ktorých sa skladajú napr. protóny a neutróny) vnútri kolidujúcich protónov presne známa nie je - a teda je v nich komplikovanejšie zistiť presné údaje o celkovej energii a hybnosti. Navyše, väčšina modelov predpovedá hmotnosť SUSY častíc menšiu než 0.5 teraelektrónvoltov (TeV), vďaka čomu by lineárny urýchľovač mal byť ideálnym zariadením na skúmanie týchto častíc.

Nová fyzika.

Aké sú dôsledky novej fyziky?

Nová fyzika znamená čokoľvek nespadajúce pod štandardný model. Popri supersymetrii popísanej vyššie zahŕňa gravitóny (častice sprostredkovávajúce gravitačnú interakciu), či častice spojené s vyššími dimenziami. Ak by boli dostatočne ľahké, LHC ich objaví pomerne rýchlo. Podobne môže byť objavená alebo naopak vylúčená aj existencia ďalšej generácie častíc (momentálne fyzika vie o troch generáciách, existencia ďalších by bola veľmi vzrušujúcim poznaním otvárajúcim mnohé nové možnosti štruktúry hmoty). Exotickejšie teoretické návrhy ďalej zahŕňajú aj spomínané „nečastice“, kompletne nezachytiteľné častice, ktoré môžu byť pozorované len prostredníctvom chýbajúcej energie v zrážkach.

Čo ďalej?                     

Po objavení nového javu je nutné vybudovať teóriu, ktorá by takýto jav vysvetľovala. Napríklad, supersymetria a ďalšie dimenzie sú prvými krokmi smerom k potvrdeniu teórie strún. Super LHC bude schopné zozbierať omnoho viac údajov o novej fyzike v porovnaní s LHC a bude schopný objaviť procesy príliš vzácne na to, aby ich jeho predchodca zachytil. Nakoniec bude potrebný lineárny urýchľovač na dokonanie diela – najvhodnejší typ bude závisieť od konkrétnej energie novo pozorovaných javov.

Ďalšia generácia

Super LHC

Super LHC (sLHC) bude vylepšený LHC. Ak všetko pôjde podľa plánu, spustí sa približne o jedno desaťročie. Zväzok častíc bude 10 krát intenzívnejší, znamenajúc desaťnásobné zvýšenie počtu protónov v každom zväzku a aj desaťnásobný počet zrážok za jednotku času. To značí, že sLHC bude mať väčšiu schopnosť vidieť zaujímavé javy, avšak súčasne bude mať aj väčší počet nezaujímavých zrážok, ktoré bude potrebné odfiltrovať, a taktiež aj väčšiu radiáciu, ktorú bude musieť detektor vydržať.  Aby sa dalo vysporiadať s týmito problémami, budú vymenené injektory zväzkov, silnejší zväzok budú držať na uzde dodatočné supravodivé magnety a detektory budú zmodernizované aby sa vysporiadali s vyšším tokom dát a radiácie.

Predpokladaný dátum spustenia: 2018
Náklady: 1.27 miliardy US dolárov
Prínosy: Podstatne lacnejší ako vybudovanie nového urýchľovača
Nevýhody: Náročné podmienky pre uskutočnenie presných meraní; len malý nárast v hmotnosti skúmaných častíc

Medzinárodný lineárny urýchľovač (The International Linear Collider)

V prípade, že projekt získa finančné krytie po technickej prezentácii plánovanej na rok 2012, ILC bude 35 kilometrovým priamym (čiže nie kruhovým ako LHC a sLHC)  urýchľovačom.  Zataľ čo v LHC dochádza k zrážkam protónov, ktoré obsahujú kvarky a gluóny, v ILC budú kolidovať elektróny a pozitróny. Zrážky tak budú „čistejšie“ ako v LHC, pretože elektróny a pozitróny sú fundamentálne (čiže ďalej neštrukturované) častice. Toto odstraňuje nejednoznačnosti, ktoré vyvstávajú pri snahe zistiť ako a z čoho presne vznikli nové častice. Navyše, v LHC ako kruhovom urýchľovači častice neustále strácajú pri ich rotácii energiu, čo sa lineárneho urýchľovača netýka.

Predpokladaný dátum spustenia: dekáda 2020
Náklady: 8 miliárd US dolárov
Prínosy: čistejšie zrážky, dobre známa a spoľahlivá technológia
Nevýhody: pre niektoré z predpovedí súčasných teórií maximálna energia urýchľovača nemusí byť dostatočná na pozorovanie všetkých zaujímavých javov novej fyziky.

Kompaktný lineárny urýchľovač (The Compact Linear Collider)

CLIC by mal byť podobne ako ILC pozitrónový a elektrónový lineárny urýchľovač - a rovnako jeho vybudovanie musí ešte len byť schválené – avšak bude kratší a bude mať vyššiu energiu zrážok. Dosiahne sa to tým, že paralelne so samotnými kolidujúcimi zväzkami častíc budú letieť vysokointenzívne nízkoenergetické vodiace zväzky. Energia naakumulovaná v týchto vodiacich zväzkoch bude v krátkych impulzoch prenášaná na hlavné zväzky.

Predpokladaný dátum spustenia: dekáda 2020
Náklady: neexistuje oficiálny odhad, neoficiálne cca 10 miliárd US dolárov
Prínosy: čistejšie zrážky, vysoké energie a malé rozmery - ILC by musel byť na dosiahnutie podobnej energie dlhý až 140 kilometrov, a teda neporovnateľne drahší. Veľká citlivosť na hmotné častice v porovnaní s LHC.
Nevýhody: vývoj a výskum potrebnej novej technológie je zatiaľ len v ranom štádiu.

Vzdialená budúcnosť

Medzi ďalšie návrhy patrí Veľmi veľký hadrónový urýchľovač (Very Large Hadron Collider), ktorý by dosiahol energiu zrážok 40 až 200 TeV (oproti cca 7 TeV v LHC) a musel by byť vybudovaný od základu. Zvažujú sa aj miónové urýchľovače (mióny sú častice podobné elektrónom, ale majú vyššiu hmotnosť) a tzv. LHeC – zrážajúci elektrónový zväzok s protónovým, každý pootvárajúc dvere do inej časti predpokladanej novej fyziky.

Zdroj: Future colliders: Beyond the LHC [New Scientists]

Autor: Jessica Griggs
Preklad a doplnenie: Juraj Kotulič Bunta