Ingen rod med Large Hadron Collider. Det er den øverste partikeludvikler i den nuværende tidsalder, og intet kan røre ved dens energikapacitet eller evne til at studere fysikens grænser. Men al herlighed er forbigående, og intet varer evigt. Til sidst et sted omkring 2035 vil lysene ved denne 17 kilometer lange (27 kilometer) strømring slukke. Hvad kommer derpå?
Konkurrerende grupper rundt om i verden kæmper for at sikre økonomisk opbakning for at gøre deres kæledyrcidercider-ideer til den næste store ting. Et design blev beskrevet 13. august i et papir i preprint-tidsskriftet arXiv. Kendt som Compact Linear Collider (eller CLIC, fordi det er sødt), synes den foreslåede massive, subatomære jernbanepistol at være frontløber. Hvad er den sande natur af Higgs boson? Hvad er dets forhold til den øverste kvark? Kan vi finde antydninger til fysik ud over standardmodellen? CLIC kan muligvis svare på disse spørgsmål. Det involverer kun en partikelcollider længere end Manhattan.
Subatomisk trækløb
Den store Hadron Collider (LHC) smadrer sammen noget tunge partikler kendt som hadroner (deraf anlæggets navn). Du har en masse hadrons inde i din krop; protoner og neutroner er de mest almindelige repræsentanter for den mikroskopiske klan. Ved LHC går runde og runde hasronerne i en gigantisk cirkel, indtil de nærmer sig lysets hastighed og begynder at slå. Mens imponerende - LHC når energier, der ikke kan sammenlignes med andre enheder på Jorden, er hele affæren en smule rodet. Når alt kommer til alt er hadroner konglomeratpartikler, bare poser med andre, små, mere grundlæggende ting, og når hadroner smadrer, spildes alle deres tarme overalt, hvilket gør analysen kompliceret.
I modsætning hertil er CLIC designet til at være meget enklere, renere og mere kirurgisk. I stedet for hadroner, vil CLIC fremskynde elektroner og positroner, to lette, grundlæggende partikler. Og denne smasher vil accelerere partikler i en lige linje, alt fra 11 til 50 km (11 til 50 km), afhængigt af det endelige design, lige ned ad tønden.
Al denne åbenhed sker ikke på én gang. Den nuværende plan er, at CLIC skal komme i gang med lavere kapacitet i 2035, lige når LHC afvikles. Første generation af CLIC fungerer kun på 380 gigaelektronvolt (GeV), mindre end en tredive af LHC's maksimale effekt. Selv CLIC's fulde operationelle kraft, der i øjeblikket er rettet mod 3 teraelektronvolt (TeV), er faktisk mindre end en tredjedel af, hvad LHC kan gøre nu.
Så hvis en avanceret, næste generations partikelcollider ikke kan slå, hvad vi kan gøre i dag, hvad er da poenget?
Higgs jæger
CLICs svar er at arbejde smartere, ikke hårdere. Et af de vigtigste videnskabelige mål for LHC var at finde Higgs boson, den længe søgte partikel, der giver andre partikler deres masse. Tilbage i 1980'erne og 1990'erne, da LHC blev designet, var vi ikke sikre på, at Higgs endda eksisterede, og vi havde ingen idé om, hvad dens masse og andre egenskaber var. Så vi var nødt til at bygge et instrument til generelle formål, der kunne undersøge mange typer interaktioner, som alle potentielt kunne afsløre en Higgs.
Og det gjorde vi. Hurra!
Men nu, hvor vi ved, at Higgs er en reel ting, kan vi indstille vores colliders til et meget smallere sæt interaktioner. Dermed vil vi søge at fremstille så mange Higgs-bosoner som muligt, indsamle bunker af saftige data og lære meget mere om denne mystiske, men grundlæggende partikel.
Og her kommer måske den underligste smule fysik-jargon, du sandsynligvis vil støde på i denne uge: Higgsstrahlung. Ja, du læser det rigtigt. Der er en proces inden for partikelfysik kendt som bremsstrahlung, som er en unik form for stråling produceret af en bunke varme partikler, der er proppet i en lille kasse. I analogi, når du smeller et elektron i en position ved høje energier, ødelægger de hinanden i et brus af energi og nye partikler, blandt dem en Z-boson parret med en Higgs. Derfor Higgsstrahlung.
På 380 Gev vil CLIC være en ekstraordinær fabrik i Higgsstrahlung.
Ud over det øverste kvark
I den nye artikel forklarede Aleksander Filip Zarnecki, en fysiker ved universitetet i Warszawa i Polen og medlem af CLIC-samarbejdet, den aktuelle status for facilitetens design, baseret på sofistikerede simuleringer af detektorer og partikelkollisioner.
Håbet med CLIC er, at vi ved at producere så mange Higgs-bosoner som muligt i et rent, let at studere miljø, kan lære mere om partiklen. Er der mere end en Higgs? Taler de med hinanden? Hvor stærkt interagerer Higgs med alle de andre partikler i standardmodellen, den grundlæggende teori for subatomisk fysik?
Den samme filosofi vil blive anvendt på den øverste kvark, den mindst vel forståede og sjældneste af kvarkerne. Du har sandsynligvis ikke hørt meget om det øverste kvark, fordi det er en slags enemaskine - det var den sidste kvark, der blev opdaget, og vi ser det kun sjældent. Selv i de indledende stadier vil CLIC fremstille omkring 1 million top-kvarker, hvilket giver en statistisk styrke uhørt, når man bruger LHC og andre moderne colliders. Derfra håber teamet bag CLIC at undersøge, hvordan den øverste kvarkpartikel henfalder, hvilket sker meget sjældent. Men med en million af dem kan du muligvis bare lære noget.
Men det er ikke alt. Det er helt sikkert, det er en ting at udpege Higgs og top quark, men CLICs smarte design gør det muligt for at skubbe forbi grænserne for standardmodellen. Indtil videre er LHC kommet tør i sine søgninger efter nye partikler og ny fysik. Selvom det stadig har masser af år tilbage til at overraske os, er tidenes gang, håbet aftager.
Gennem sin rå produktion af utallige Higgs-bosoner og topkvarker kan CLIC se efter antydninger til ny fysik. Hvis der er en eller anden eksotisk partikel eller interaktion derude, kan det subtilt påvirke adfærden, henfaldet og interaktionen mellem disse to partikler. CLIC kan endda fremstille den partikel, der er ansvarlig for mørk stof, den mystiske, usete stof, der ændrer himlenes forløb. Faciliteten vil naturligvis ikke kunne se mørkt stof direkte (fordi det er mørkt), men fysikere kan se, hvornår energi eller momentum er gået glip af kollisionshændelserne, et sikkert tegn på, at der er noget funky foregår.
Hvem ved, hvad CLIC kan opdage? Men uanset hvad, er vi nødt til at gå ud over LHC, hvis vi ønsker en anstændig chance for at forstå de kendte partikler i vores univers og afsløre nogle nye.
Paul M. Sutter er en astrofysiker hos Ohio State University, vært for "Spørg en Spaceman" og "Space Radio, "og forfatter af"Dit sted i universet."
