S návratem Velkého hadronového urychlovače rostou naděje fyziků

V dubnu vědci z Evropského centra pro jaderný výzkum neboli CERN u Ženevy znovu odpálili své kosmické dělo Velký hadronový urychlovač. Po tříleté přestávce na opravy a modernizace urychlovač obnovil odpalování protonů – holých vnitřností atomů vodíku – kolem 17 mil podzemní elektromagnetické závodní dráhy. Začátkem července začne LHC rozbíjet tyto částice dohromady a vytvářet jiskry prvotní energie.

A tak se velká hra na hledání tajemství vesmíru chystá znovu vrátit, uprostřed nového vývoje a čerstvých nadějí pro částicové fyziky. Již před renovací Collider naznačoval, že příroda může skrývat něco úžasného. Mitesh Patel, částicový fyzik z Imperial College London, který experiment prováděl v CERNu, popsal data ze svých předchozích kurzů jako „nejvzrušující soubor výsledků, jaké jsem ve své kariéře viděl“.

Před deseti lety se fyzici z CERNu dostali do celosvětových titulků díky objevu Higgsova bosonu, dlouho hledané částice, která přenáší hmotu na všechny ostatní částice ve vesmíru. Co zbývá najít? Optimističtí fyzici říkají téměř vše.

Když byl urychlovač CERN v roce 2010 poprvé spuštěn, vesmír byl připraven jej zachytit. Stroj, největší a nejvýkonnější, jaký byl kdy postaven, byl navržen tak, aby našel Higgsův boson. Tato částice je základním kamenem Standardního modelu, sady rovnic, které vysvětlují vše, co vědci dokázali změřit v subatomárním světě.

Existují však hlubší otázky o vesmíru, které Standardní model nevysvětluje: Odkud se vesmír vzal? Proč se skládá z hmoty a ne z antihmoty? Co je to „temná hmota“, která prostupuje vesmír? Jakou hmotnost má samotná Higgsova částice?

Fyzici doufali, že některé z odpovědí se zhmotní v roce 2010, kdy byl Velký urychlovač poprvé uveden do provozu. Nic se neobjevilo kromě Higgse – konkrétně neexistovala žádná nová částice, která by mohla vysvětlit povahu temné hmoty. Je frustrující, že standardní model zůstal stabilní.

Urychlovač byl uzavřen na konci roku 2018 z důvodu rozsáhlých modernizací a oprav. Podle aktuálního harmonogramu bude urychlovač pokračovat v provozu do roku 2025 a poté bude na další dva roky odstaven, dokud nebudou instalovány další rozsáhlé modernizace. Mezi touto sadou vylepšení jsou vylepšení obřích detektorů umístěných ve čtyřech bodech, kde se protonové paprsky srážejí a rozkládají trosky srážky. Počínaje červencem pro ně bude práce těchto činidel přerušena. Protonové paprsky byly stlačeny, aby byly hustší, což zvýšilo pravděpodobnost srážky protonů v místech křížení – ale vytvořilo zmatek pro detektory a počítače ve formě několika spršek částic, které je třeba od sebe odlišit.

„Data budou přicházet mnohem rychleji, než jsme zvyklí,“ řekl Dr. Patel. Tam, kde došlo pouze jednou ke srážkám na každém průsečíku paprsků, jich nyní bude více než pět.

„Trochu nám to ztěžuje život, protože mezi všemi těmi různými interakcemi musíme být schopni najít věci, na kterých nám záleží,“ řekl. „Ale to znamená, že s větší pravděpodobností uvidíte věc, kterou hledáte.“

Mezitím různé experimenty odhalily potenciální trhliny ve standardním modelu – a naznačily širší a hlubší teorii vesmíru. Tyto nálezy zahrnují vzácné chování subatomárních částic, jejichž názvy většina z nás v kosmických terasách nezná.

vezmi mion, Subatomární částice se loni na krátkou dobu proslavila. Miony jsou často označovány jako lipidové elektrony; Mají stejný záporný elektrický náboj, ale mají hmotnost 207krát větší. „Kdo o to požádal?“ Fyzik Isador Rabe řekl, když byly v roce 1936 objeveny miony.

Nikdo neví, kam miony zapadají do velkého schématu věcí. Vznikají srážkou kosmického záření a – při urychlovačích – a radioaktivně se během mikrosekund rozpadají na jiskřivé elektrony a strašidelné částice zvané neutrina.

Minulý rok tým asi 200 fyziků přidružených k Fermi National Accelerator Laboratory v Illinois uvedl, že Miony rotující v magnetickém poli oscilují rychleji než standardní model předpovídá.

Rozpor s teoretickými předpověďmi přišel na osmé desetinné místo hodnoty parametru zvaného g-2, který popisuje, jak částice reaguje na magnetické pole.

Vědci připisují částečný, ale skutečný rozdíl kvantovému šepotu dosud neznámých částic, které by se krátce zhmotnily kolem mionu a ovlivnily jeho vlastnosti. Potvrzení přítomnosti částic by nakonec narušilo Standardní model.

Dvě skupiny teoretiků ale stále pracují na sladění svých předpovědí, jak by g-2 měla vypadat, zatímco čekají na další data z experimentu Fermilab.

„Anomálie g-2 je stále velmi živá,“ řekla Aida X Green, fyzička z University of Illinois, která pomohla vést tříleté úsilí nazvané iniciativa Muon g-2 theory s cílem přijít s konsensuální předpovědí. „Osobně jsem optimista, že trhliny ve standardním modelu povedou k zemětřesení. Přesná poloha trhlin však může být stále pohyblivým cílem.“

Mion se objevuje i v další anomálii. Hlavní postavou, nebo možná padouchem, je v tomto dramatu částice zvaná kvark B, což je jeden ze šesti typů kvarků, které tvoří těžší částice, jako jsou protony a neutrony. B znamená dno nebo krása. Takové kvarky se vyskytují ve dvoukvarkových částicích známých jako mezony B. Tyto kvarky jsou však nestabilní a náchylné ke kolapsu způsobem, který zdánlivě porušuje standardní model.

Některé ze vzácnějších rozpadů kvarku B zahrnují řadu reakcí, které končí jiným, lehčím typem kvarku a párem lehkých částic zvaných leptony, buď elektrony nebo miony. Standardní model tvrdí, že v této reakci se pravděpodobněji objeví elektrony a miony. (Existuje třetí těžší lepton zvaný tau, ale rozpadá se příliš rychle na to, abychom si jej všimli.) Ale Dr. Patel a jeho kolegové našli více elektronových párů než mionových, čímž porušili princip nazývaný leptonová univerzálnost.

„To by mohl být standardní zabijácký model,“ řekl Dr. Patel, jehož tým zkoumal kvarky B pomocí jednoho z detektorů velkého hadronového urychlovače, LHCb. Tato anomálie, stejně jako magnetická anomálie mionu, naznačuje neznámého „ovlivňovače“ – částici nebo sílu, která zasahuje do interakce.

Jednou z nejdramatičtějších možností, pokud se tato data udrží v průběhu dalšího srážeče, je podle Dr. Patel subatomární spekulace zvaná leptokvark. Pokud nějaká částice existuje, mohla by překlenout propast mezi dvěma třídami částic, které tvoří fyzický vesmír: lehkými leptony – elektrony a miony, ale také neutrony – a těžšími částicemi, jako jsou protony a neutrony, které se skládají z kvarků. Záhadné je, že existuje šest typů kvarků a šest typů leptonů.

„Do tohoto závodu vstupujeme s větším optimismem ohledně možnosti nadcházející revoluce,“ řekl Dr. Patel. „Propletené prsty.“

V této zoologické zahradě je ještě jedna částice, která se chová zvláštně: boson W, který přenáší takzvanou slabou sílu zodpovědnou za radioaktivní rozpad. V květnu fyzikové s detektorem Collider ve Fermilabu neboli CDF Oznámil jsem 10leté úsilí o měření hmotnosti této částicezaložené na asi 4 milionech bosonů získaných ze srážek na Fermilabově Tevatronu, který byl do doby, než byl postaven Velký hadronový urychlovač, nejvýkonnějším urychlovačem na světě.

Podle Standardního modelu a předchozích hmotnostních měření by měl boson W vážit asi 80,357 miliardy elektronvoltů, což je jednotka hmotnostní energie preferovaná fyziky. Pro srovnání, Higgsův boson váží 125 miliard elektronvoltů, což odpovídá váze atomu jódu. Ale CDF míra W, vůbec nejpřesnější, byla vyšší, než se očekávalo, na 80,433 miliardy. Experimentátoři vypočítali, že existuje pouze jedna šance na 2 biliony – 7 sigma, řečeno jazykem fyziky – že tento rozdíl je statistická náhoda.

Hmotnost bosonu W souvisí s hmotností jiných částic, včetně nechvalně známého Higgsova. Takže tato nová nesrovnalost, pokud se udrží, by mohla být další trhlinou ve standardním modelu.

Všechny tři odchylky a naděje teoretiků na revoluci by se však s dalšími daty mohly vypařit. Ale pro optimisty všechny tři ukazují stejným povzbudivým směrem k částicím nebo skrytým silám, které zasahují do „známé“ fyziky.

„Takže nová částice, která by mohla vysvětlit hmotnost G-2 i hmotnost W, by mohla být na dosah velkého hadronového urychlovače,“ řekl Kyle Cranmer, fyzik z University of Wisconsin, který pracuje na dalších experimentech v CERNu.

John Ellis, teoretik z CERNu a Kings College London, poznamenává, že bylo publikováno nejméně 70 výzkumných prací, které navrhují vysvětlení nového rozporu v bloku W.

„Mnoho z těchto vysvětlení také vyžaduje nové částice, které mohou být v dosahu LHC,“ řekl. „Zmínil jsem se o temné hmotě? Takže je třeba dávat pozor na spoustu věcí!“

Bude to vzrušující. Bude to tvrdá práce, ale opravdu se těšíme na to, co máme a jestli je v datech něco opravdu vzrušujícího,“ řekl Dr. Patel o nadcházejícím závodě.

Dodal: „Můžete projít vědeckou kariérou a nebudete to moci jednou říct. Takže mi to připadá jako privilegium.“