Повний уперед. Коли Великий адронний колайдер вийде на полювання на п'яту силу природи

У Швейцарії 5 липня відновить свою наукову діяльність найбільший у світі Великий адронний колайдер (ВАК). Учені сподіваються, що прискорювач допоможе розібратися у фізиці елементарних частинок.

Третій раунд експериментів на ВАК розпочнеться після 4-річного простою, який продовжили також через пандемію коронавірусу. Європейська організація з ядерних досліджень ЦЕРН збирається транслювати онлайн новий запуск колайдера, пише Inverse.

Фізики покладають великі надії нового запуск. Справа в тому, що недавні дослідження в галузі фізики натякнули на існування п'ятої сили природи та кинули виклик Стандартній моделі фізики. Можливо, великий адронний колайдер зможе підтвердити відкриття.

Призначення Великого адронного колайдера

Якщо пояснювати завдання ВАК простими словами, то колайдер — це пристрій, який стикає частинки одну з одною, щоб дізнатися більше про них. Процес схожий на те, якби люди розбивали складні електронні пристрої, щоб подивитися, з яких компонентів вони складаються. Як не дивно, це найкращий спосіб, за допомогою якого фізики можуть заглянути у квантовий світ, чиї масштаби в мільйони разів менші від атомів.

Проблема полягає в тому, що більшість із частинок, які стикаються, є фантомами, які майже не взаємодіють із зовнішнім світом або існують лише частки секунди. Такі частки, швидше за все, залишаться непоміченими, навіть якщо спостерігати за процесом за допомогою дуже потужних детекторів. Але, на щастя, фізики можуть виявляти їхнє "мерехтіння" у високоенергетичному супі, який на мить з'являється всередині колайдера при зіткненні частинок.

Модернізація ВАК, яка була проведена останніми роками, збільшила його потужність, що дозволить зробити ще більше відкриттів у субатомному світі.

Розмір ВАК вражає уяву. Він розташований у круглому тунелі з 27 км в окружності й 4 метрами завширшки. Тунель закопаний на кілька поверхів під землею, він тягнеться від штаб-квартири ЦЕРН у передмісті Женеви, проходить під горами Юра вздовж франко-швейцарського кордону та повертається до штаб-квартири.

Такий гігантський розмір обумовлений тим, що велике коло дозволяє пучкам частинок наближатися до швидкості світла. Зі свого боку, це дозволяє досягати вищих енергій у ВАК, що дає вченим можливість бачити більше частинок при зіткненнях.

Незважаючи на це, вчені вже замислюються над створенням наступника ВАК Future Circular Collider, чия окружність може бути майже вчетверо більшою.

Відкриття Великого адронного колайдера

Найгучнішим відкриттям, зробленим на ВАК, є бозон Хіггса, або як його називають "частка Бога". Його відкриття було вкрай важливим для фізики елементарних частинок, оскільки дозволило підтвердити теорії про те, як Усесвіт працює в його крихітних масштабах.

Але бозон Хіггса вкрай нестабільний, майже миттєво розпадається на частини.

Бозон Хіггса вперше був теоретично описаний ще в 1960-х роках, із тих пір учені шукали його протягом десятиліть. Пошуки було завершено на ВАК у 2012 році. Пошук "частки Бога" був однією з причин, чому Великий адронний колайдер був побудований.

Незважаючи на те, що частка була відкрита, вчені досі не до кінця розуміють її властивості. Розібратися в цьому ще належить працівникам ЦЕРНу.

Нові експерименти на ВАК

Майбутні експерименти на ВАК будуть зосереджені на пошуках невідомої науки.

По суті, ВАК — це не один експеримент, а відразу кілька, де кожен шукає свою частку або досліджує новий напрямок фізики. Багато детекторів, розташованих уздовж периметра прискорювача дозволяють відстежувати безліч цілей. За кожним детектором ВАК стоять сотні вчених із усього світу.

Із усіх експериментів можна виділити чотири найбільших:

• ATLAS і CMS або експерименти "загального призначення". Вони орієнтовані на широкий спектр частинок, які проходять через наявні детектори. Саме під час цих двох експериментів і знайшли бозон Хіггса.
• Експеримент ALICE зайнятий вивченням рідкісної фази матерії, яку називають "кварк-глюонною плазмою" — атоми в ній тануть, як лід, перетворюючись на супергарячий суп. Експерти вважають, що саме така плазма переважала у Усесвіті одразу після Великого вибуху.
• LHCb — найменший із чотирьох детекторів, який займається пошуком всього однієї частинки — b-кварка (або "красивого кварка"). Фізики вважають, що b-кварк допоможе їм зрозуміти різницю між звичайною матерією і антиматерією. Відомо, що матерія та антиматерія знищують одна одну при зіткненні. Під час Великого вибуху в Усесвіті мало з'явитися порівну матерії та антиматерії, але першої виявилося більше. Поки що вчені не можуть знайти пояснення цього дисбалансу.

Фундаментальні питання

Протягом кількох десятиліть фізика елементарних частинок підпорядковується стандартній моделі. У ній представлені головні частинки в Усесвіті (яких лише 17) і те, як вони взаємодіють між собою. Також у цій схемі описуються чотири фундаментальні сили в Усесвіті: сильна ядерна взаємодія, яка скріплює частинки всередині ядра атома; слабка взаємодія, що керує процесом бета-розпаду атомних ядер; і електромагнетизм.

Десятиліття Стандартна модель пояснювала ті чи інші процеси у фізиці елементарних частинок. Але з часом учені все частіше приходять до висновку, що Стандартна модель не може відповісти на всі запитання. Наприклад, чинна модель не пояснює четверту фундаментальну силу — гравітацію. Також у ній немає місця для темної матерії, кількість якої у п'ять разів перевищує кількість звичайної матерії в Усесвіті.

Усі ці питання змушують фізиків припускати, що десь має ховатися п'ята фундаментальна сила. Можливо, вона якось пов'язана з темною енергією, яка є невловимою формою енергії, відповідальною за розширення Всесвіту.

Крім цього, деякі наукові експерименти натякають на існування частинок, яких узагалі немає в загальноприйнятій Стандартній моделі.

Зовсім недавно під час експериментів у лабораторії Фермі виявили, що W-бозон має більшу масу, ніж очікувалося. Відкриття може бути незначним, але воно серйозно порушує Стандартну модель. Фізики сподіваються, що зможуть розібратися із загадкою, що з'явилася, за допомогою експериментів на ВАК.