Τι φέρνει η αναβάθμιση στο CERN
Έξι χρόνια μετά την ανακάλυψη, το μποζόνιο Χιγκς επικυρώνει μια πρόβλεψη. Σύντομα, μια αναβάθμιση στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων θα επιτρέψει στους επιστήμονες του CERN να παράγουν περισσότερα από αυτά τα σωματίδια για τη δοκιμή Τυποποιημένου Μοντέλου Φυσικής
Ένα υποψήφιο συμβάν ATLAS για το μποζόνιο Higgs (H) που διασπάται σε δύο κουάρκ πυθμένα (b), σε συνδυασμό με ένα μποζόνιο W που διασπάται σε ένα μιόνιο (μ) και ένα νετρίνο (ν). (Εικόνα: ATLAS/CERN) Σε σενάριο Rashmi Raniwala & Sudhir Raniwala
Julie Bakery Probst
Έξι χρόνια μετά την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, οι φυσικοί των σωματιδίων ανακοίνωσαν την περασμένη εβδομάδα ότι παρατήρησαν πώς διασπάται το άπιαστο σωματίδιο. Το εύρημα, που παρουσιάστηκε από τις συνεργασίες ATLAS και CMS, παρατήρησε το μποζόνιο Χιγκς να διασπάται σε θεμελιώδη σωματίδια γνωστά ως κουάρκ βυθού.
Το 2012, η βραβευμένη με Νόμπελ ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς επικύρωσε το Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής, το οποίο προβλέπει επίσης ότι περίπου το 60% των φορών ένα μποζόνιο Χιγκς θα διασπαστεί σε ένα ζευγάρι κουάρκ βυθού. Σύμφωνα με το CERN, η δοκιμή αυτής της πρόβλεψης είναι κρίσιμης σημασίας γιατί το αποτέλεσμα είτε θα υποστηρίξει το Καθιερωμένο Μοντέλο - το οποίο βασίζεται στην ιδέα ότι το πεδίο Higgs προικίζει μάζα στα κουάρκ και άλλα θεμελιώδη σωματίδια - είτε θα ταρακουνήσει τα θεμέλιά του και θα οδηγήσει στη νέα φυσική.
Το μποζόνιο Higgs ανιχνεύτηκε μελετώντας τις συγκρούσεις σωματιδίων σε διαφορετικές ενέργειες. Διαρκούν όμως μόνο για ένα zeptosecond, που είναι 0,000000000000000000001 δευτερόλεπτα, επομένως η ανίχνευση και η μελέτη των ιδιοτήτων τους απαιτεί απίστευτη ποσότητα ενέργειας και προηγμένους ανιχνευτές. Το CERN ανακοίνωσε νωρίτερα φέτος ότι λαμβάνει μια μαζική αναβάθμιση, η οποία θα ολοκληρωθεί έως το 2026.
Γιατί να μελετήσουμε τα σωματίδια;
Η σωματιδιακή φυσική διερευνά τη φύση σε ακραίες κλίμακες, για να κατανοήσει τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης. Ακριβώς όπως η γραμματική και το λεξιλόγιο καθοδηγούν (και περιορίζουν) την επικοινωνία μας, τα σωματίδια επικοινωνούν μεταξύ τους σύμφωνα με ορισμένους κανόνες που είναι ενσωματωμένοι σε αυτό που είναι γνωστό ως «τέσσερις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις». Τα σωματίδια και τρεις από αυτές τις αλληλεπιδράσεις περιγράφονται με επιτυχία από μια ενοποιημένη προσέγγιση γνωστή ως Καθιερωμένο Μοντέλο. Το SM είναι ένα πλαίσιο που απαιτούσε την ύπαρξη ενός σωματιδίου που ονομάζεται μποζόνιο Higgs και ένας από τους κύριους στόχους του LHC ήταν να αναζητήσει το μποζόνιο Higgs.
Πώς μελετώνται τέτοια μικροσκοπικά σωματίδια;
Τα πρωτόνια συλλέγονται σε δέσμες, επιταχύνονται σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός και αναγκάζονται να συγκρουστούν. Πολλά σωματίδια προκύπτουν από μια τέτοια σύγκρουση, που ονομάζεται γεγονός. Τα αναδυόμενα σωματίδια παρουσιάζουν ένα φαινομενικά τυχαίο μοτίβο, αλλά ακολουθούν τους υποκείμενους νόμους που διέπουν μέρος της συμπεριφοράς τους. Η μελέτη των μοτίβων στην εκπομπή αυτών των σωματιδίων μας βοηθά να κατανοήσουμε τις ιδιότητες και τη δομή των σωματιδίων.
Αρχικά, ο LHC παρείχε συγκρούσεις σε πρωτοφανείς ενέργειες επιτρέποντάς μας να επικεντρωθούμε στη μελέτη νέων περιοχών. Όμως, είναι τώρα καιρός να αυξήσουμε τη δυνατότητα ανακάλυψης του LHC καταγράφοντας μεγαλύτερο αριθμό γεγονότων.
(Πηγή: CERN) Λοιπόν, τι θα σημαίνει μια αναβάθμιση;
Μετά την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, είναι επιτακτική ανάγκη να μελετηθούν οι ιδιότητες του σωματιδίου που ανακαλύφθηκε πρόσφατα και η επίδρασή του σε όλα τα άλλα σωματίδια. Αυτό απαιτεί μεγάλο αριθμό μποζονίων Higgs. Το SM έχει τις αδυναμίες του και υπάρχουν εναλλακτικά μοντέλα που καλύπτουν αυτά τα κενά. Η εγκυρότητα αυτών και άλλων μοντέλων που παρέχουν μια εναλλακτική λύση στο SM μπορεί να ελεγχθεί με πειραματισμούς για να ελεγχθούν οι προβλέψεις τους. Μερικές από αυτές τις προβλέψεις, συμπεριλαμβανομένων των σημάτων για τη σκοτεινή ύλη, τα υπερσυμμετρικά σωματίδια και άλλα βαθιά μυστήρια της φύσης είναι πολύ σπάνιες, και ως εκ τούτου δύσκολο να παρατηρηθούν, καθιστώντας περαιτέρω αναγκαία την ανάγκη ενός LHC υψηλής φωτεινότητας (HL-LHC).
Φανταστείτε να προσπαθείτε να βρείτε μια σπάνια ποικιλία διαμαντιών ανάμεσα σε έναν πολύ μεγάλο αριθμό κομματιών που εμφανίζουν παρόμοια εμφάνιση. Ο χρόνος που απαιτείται για την εύρεση του πολυπόθητου διαμαντιού θα εξαρτηθεί από τον αριθμό των κομματιών που παρέχονται ανά μονάδα χρόνου για επιθεώρηση και από τον χρόνο που απαιτείται για την επιθεώρηση. Για να ολοκληρώσουμε αυτή την εργασία πιο γρήγορα, πρέπει να αυξήσουμε τον αριθμό των παρεχόμενων τεμαχίων και να επιθεωρήσουμε πιο γρήγορα. Στην πορεία, μερικά νέα κομμάτια διαμαντιών, μέχρι στιγμής απαρατήρητα και άγνωστα, ενδέχεται να ανακαλυφθούν, αλλάζοντας την οπτική μας για τις σπάνιες ποικιλίες διαμαντιών.
Μόλις αναβαθμιστεί, ο ρυθμός των συγκρούσεων θα αυξηθεί και το ίδιο θα αυξηθεί και η πιθανότητα των περισσότερων σπάνιων συμβάντων. Επιπλέον, η διάκριση των ιδιοτήτων του μποζονίου Higgs θα απαιτήσει την άφθονη παροχή τους. Μετά την αναβάθμιση, ο συνολικός αριθμός των μποζονίων Higgs που παράγονται σε ένα έτος μπορεί να είναι περίπου 5 φορές ο αριθμός που παράγεται σήμερα. και στην ίδια διάρκεια, τα συνολικά δεδομένα που καταγράφονται μπορεί να είναι περισσότερα από 20 φορές.
Με την προτεινόμενη φωτεινότητα (ένα μέτρο του αριθμού των πρωτονίων που διασχίζουν ανά μονάδα επιφάνειας ανά μονάδα χρόνου) του HL-LHC, τα πειράματα θα είναι σε θέση να καταγράφουν περίπου 25 φορές περισσότερα δεδομένα στην ίδια περίοδο όπως για τη λειτουργία του LHC. Η δέσμη στον LHC έχει περίπου 2.800 δέσμες, καθένα από τα οποία περιέχει περίπου 115 δισεκατομμύρια πρωτόνια. Το HL-LHC θα έχει περίπου 170 δισεκατομμύρια πρωτόνια σε κάθε δέσμη, συμβάλλοντας στην αύξηση της φωτεινότητας κατά 1,5.
Πώς θα αναβαθμιστεί;
Τα πρωτόνια διατηρούνται μαζί στη δέσμη χρησιμοποιώντας ισχυρά μαγνητικά πεδία ειδικών ειδών, που σχηματίζονται χρησιμοποιώντας τετραπολικούς μαγνήτες. Η εστίαση της δέσμης σε μικρότερο μέγεθος απαιτεί ισχυρότερα πεδία, και επομένως μεγαλύτερα ρεύματα, που απαιτούν τη χρήση υπεραγώγιμων καλωδίων. Νέες τεχνολογίες και νέο υλικό (Νιόβιο-κασσίτερο) θα χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή των απαιτούμενων ισχυρών μαγνητικών πεδίων που είναι 1,5 φορές τα σημερινά πεδία (8-12 tesla).
Η δημιουργία μακριών πηνίων για τέτοια πεδία δοκιμάζεται. Νέος εξοπλισμός θα εγκατασταθεί σε 1,2 χλμ. του δακτυλίου LHC μήκους 27 χιλιομέτρων κοντά στα δύο μεγάλα πειράματα (ATLAS και CMS), για την εστίαση και τη συμπίεση των τσαμπιών λίγο πριν διασταυρωθούν.
Καλώδια εκατοντάδων μέτρων από υπεραγώγιμο υλικό (υπεραγώγιμοι σύνδεσμοι) με ικανότητα μεταφοράς έως και 100.000 αμπέρ θα χρησιμοποιηθούν για τη σύνδεση των μετατροπέων ισχύος με το γκάζι. Ο LHC λαμβάνει τα πρωτόνια από μια αλυσίδα επιταχυντή, η οποία θα πρέπει επίσης να αναβαθμιστεί για να καλύψει τις απαιτήσεις της υψηλής φωτεινότητας.
σπίτι του Άντριου Λίνκολν
Δεδομένου ότι το μήκος κάθε δέσμης είναι μερικά εκατοστά, για να αυξηθεί ο αριθμός των συγκρούσεων δημιουργείται μια μικρή κλίση στα τσαμπιά ακριβώς πριν από τις συγκρούσεις για να αυξηθεί η αποτελεσματική περιοχή επικάλυψης. Αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας «κοιλότητες καβουριών».
Η κοινότητα της πειραματικής σωματιδιακής φυσικής στην Ινδία συμμετείχε ενεργά στα πειράματα ALICE και CMS. Το HL-LHC θα απαιτήσει αναβάθμιση και αυτών. Τόσο ο σχεδιασμός όσο και η κατασκευή των νέων ανιχνευτών, καθώς και η επακόλουθη ανάλυση δεδομένων θα έχουν σημαντική συμβολή από τους Ινδούς επιστήμονες.
Μοιράσου Το Με Τους Φίλους Σου:
