Kaj nadgradnja prinaša CERN-u
Šest let po odkritju Higgsov bozon potrdi napoved. Kmalu bo nadgradnja velikega hadronskega trkalnika omogočila znanstvenikom CERN-a, da proizvedejo več teh delcev za testiranje standardnega modela fizike
Dogodek kandidata ATLAS za Higgsov bozon (H), ki razpade na dva spodnja kvarka (b), v povezavi z bozonom W, ki razpade na mion (μ) in nevtrino (ν). (Slika: ATLAS/CERN) Napisala Rashmi Raniwala & Sudhir Raniwala
Šest let po tem, ko so Higgsov bozon odkrili na velikem hadronskem trkalniku CERN (LHC), so fiziki delcev prejšnji teden objavili, da so opazili, kako izmuzljivi delec razpada. Ugotovitev, ki sta jo predstavila sodelovanja ATLAS in CMS, je opazila razpadanje Higgsovega bozona do osnovnih delcev, znanih kot spodnji kvarki.
Leta 2012 je z Nobelovo nagrado nagrajeno odkritje Higgsovega bozona potrdilo standardni model fizike, ki prav tako napoveduje, da bo v približno 60 % časa Higgsov bozon razpadel na par spodnjih kvarkov. Po navedbah CERN-a je testiranje te napovedi ključnega pomena, ker bo rezultat bodisi podprl standardni model - ki temelji na ideji, da Higgsovo polje obdari kvarke in druge temeljne delce z maso - ali pa zamaje njegove temelje in pokaže na novo fiziko.
Higgsov bozon so odkrili s preučevanjem trkov delcev pri različnih energijah. Toda trajajo le eno zeptosekundo, kar je 0,000000000000000000001 sekunde, zato odkrivanje in preučevanje njihovih lastnosti zahteva neverjetno količino energije in napredne detektorje. CERN je v začetku tega leta objavil, da dobiva obsežno nadgradnjo, ki bo končana do leta 2026.
Zakaj preučevati delce?
Fizika delcev preiskuje naravo v skrajnem obsegu, da bi razumela temeljne sestavine snovi. Tako kot slovnica in besedišče vodita (in omejujeta) našo komunikacijo, delci med seboj komunicirajo v skladu z določenimi pravili, ki so vgrajena v tako imenovane »štiri temeljne interakcije«. Delce in tri od teh interakcij uspešno opisuje enoten pristop, znan kot standardni model. SM je okvir, ki je zahteval obstoj delca, imenovanega Higgsov bozon, in eden od glavnih ciljev LHC je bil iskanje Higgsovega bozona.
Kako se preučujejo tako drobni delci?
Protoni se zbirajo v šopih, pospešujejo skoraj do svetlobne hitrosti in trčijo. Iz takšnega trka, ki ga imenujemo dogodek, nastane veliko delcev. Pojavni delci kažejo navidezno naključen vzorec, vendar sledijo osnovnim zakonitostim, ki urejajo del njihovega vedenja. Preučevanje vzorcev v emisiji teh delcev nam pomaga razumeti lastnosti in strukturo delcev.
Sprva je LHC zagotavljal trke pri energijah brez primere, kar nam je omogočilo, da se osredotočimo na preučevanje novih ozemelj. Toda zdaj je čas, da povečamo potencial odkrivanja LHC s snemanjem večjega števila dogodkov.
(Vir: CERN) Torej, kaj bo pomenila nadgradnja?
Po odkritju Higgsovega bozona je nujno preučiti lastnosti na novo odkritega delca in njegov vpliv na vse ostale delce. To zahteva veliko število Higgsovih bozonov. SM ima svoje pomanjkljivosti in obstajajo alternativni modeli, ki zapolnijo te vrzeli. Veljavnost teh in drugih modelov, ki ponujajo alternativo SM, je mogoče preizkusiti z eksperimentiranjem, da preverimo njihove napovedi. Nekatere od teh napovedi, vključno s signali za temno snov, supersimetrične delce in druge globoke skrivnosti narave, so zelo redke in jih je zato težko opazovati, kar dodatno zahteva potrebo po visoko svetilnem LHC (HL-LHC).
Predstavljajte si, da poskušate najti redko sorto diamantov med zelo velikim številom navidez podobnih kosov. Čas, potreben za iskanje želenega diamanta, bo odvisen od števila kosov, ki so na voljo na enoto časa za inšpekcijski pregled, in časa, porabljenega za pregled. Da bi to nalogo opravili hitreje, moramo povečati število zagotovljenih kosov in hitreje pregledati. Pri tem se lahko odkrijejo nekateri novi kosi diamanta, doslej neopaženi in neznani, kar spremeni naš pogled na redke sorte diamantov.
Po nadgradnji se bo povečala stopnja trkov in s tem verjetnost najbolj redkih dogodkov. Poleg tega bo za prepoznavanje lastnosti Higgsovega bozona potrebna njihova obilna ponudba. Po nadgradnji je lahko skupno število Higgsovih bozonov, proizvedenih v enem letu, približno 5-krat večje od števila proizvedenih trenutno; in v istem času je lahko skupni zabeleženi podatki več kot 20-krat.
S predlagano svetilnostjo (merilo števila prehodov protonov na enoto površine na enoto časa) HL-LHC bodo poskusi lahko zabeležili približno 25-krat več podatkov v istem obdobju kot pri delu LHC. Žarek v LHC ima približno 2800 snopov, od katerih vsak vsebuje približno 115 milijard protonov. HL-LHC bo imel približno 170 milijard protonov v vsaki skupini, kar bo prispevalo k povečanju svetilnosti za faktor 1,5.
Kako se bo nadgrajeval?
Protoni se držijo skupaj v šopku z uporabo močnih magnetnih polj posebnih vrst, oblikovanih s pomočjo kvadrupolnih magnetov. Fokusiranje skupine na manjšo velikost zahteva močnejša polja in s tem večje tokove, kar zahteva uporabo superprevodnih kablov. Novejše tehnologije in nov material (niobij-kositer) bodo uporabljeni za proizvodnjo zahtevanih močnih magnetnih polj, ki so 1,5-krat večja od sedanjih polj (8-12 tesl).
Ustvarjanje dolgih tuljav za taka polja se preizkuša. Nova oprema bo nameščena na 1,2 km 27-kilometrskega obroča LHC blizu dveh večjih poskusov (ATLAS in CMS) za fokusiranje in stiskanje grozdov tik preden se križajo.
Za povezavo pretvornikov moči s pospeševalnikom bodo uporabljeni stometrski kabli iz superprevodnega materiala (superprevodni členi) z zmogljivostjo do 100.000 amperov. LHC dobiva protone iz pospeševalne verige, ki jo bo treba tudi nadgraditi, da bo izpolnil zahteve visoke svetilnosti.
Ker je dolžina vsakega grozda nekaj cm, se zaradi povečanja števila trkov v grozdih tik pred trki naredi rahel nagib, da se poveča efektivna površina prekrivanja. To se izvaja z uporabo 'rakovih votlin'.
Skupnost eksperimentalne fizike delcev v Indiji je aktivno sodelovala pri poskusih ALICE in CMS. HL-LHC bo zahteval tudi nadgradnjo teh. Tako načrtovanje kot izdelava novih detektorjev ter analiza podatkov, ki sledi, bodo pomembno prispevali indijski znanstveniki.
Delite S Prijatelji:
