Dodano: 25 kwiecień 2022r.

Wielki Zderzacz Hadronów wraca po trzyletniej przerwie

Po trzyletniej przerwie Wielki Zderzacz Hadronów został ponownie uruchomiony. Naukowcy dokonali w tym czasie modernizacji, które pozwolą na zderzenia o jeszcze wyższej energii. Daje to badaczom wielką nadzieję na dokonanie nowych, przełomowych odkryć, w tym tajemniczej „piątej siły” natury.

Wielki Zderzacz Hadronów

 

Naukowcy przy użyciu Wielkiego Zderzacza Hadronów (Large Hadron Collider - LHC) będą kontynuowali badania nad bozonem Higgsa, którego istnienie udowodniono w 2012 r. Maszyna ma też przetestować Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych po tym, jak ostatnie anomalie wywołały spekulacje na temat tajemniczej piątej siły natury (siły poza opisanymi w Modelu Standardowym grawitacją, elektromagnetyzmem oraz oddziaływaniami słabym i silnym).

Zderzacz znajduje się na głębokości ponad 100 metrów pod ziemią, na granicy Szwajcarii i Francji. Naukowcy wstrzymali testy w grudniu 2018 r. w celu przeprowadzenia prac konserwacyjnych i modernizacji. To drugi najdłuższy przestój w 14-letniej historii badań z użyciem LHC.

Wielki Zderzacz Hadronów

Wewnątrz Wielkiego Zderzacza Hadronów - 27-kilometrowego podziemnego pierścienia - protony poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, a następnie zderzają się ze sobą. Z tych zderzeń powstają nowe, czasem egzotyczne cząstki. Im szybciej protony poruszają się, tym więcej mają energii. Im więcej mają energii, tym masywniejsze mogą być powstałe w wyniku zderzeń cząstki. W akceleratorach, takich jak LHC, badacze szukają śladów nieznanych cząstek, sprawdzając charakterystyczne produkty rozpadu, ponieważ cięższe cząstki są na ogół krótkotrwałe i natychmiast rozpadają się na lżejsze cząstki.

Jednym z celów LHC jest przetestowanie Modelu Standardowego, którego fizycy używają do opisania wszystkich znanych cząstek elementarnych we Wszechświecie oraz sił, przez które oddziałują. Model Standardowy to jedna z najważniejszych teorii we współczesnej fizyce i chociaż jego podstawy zaczęto rozwijać jeszcze w latach 70. ubiegłego wieku, to fizycy nie są z niego zadowoleni i nieustannie szukają nowych sposobów jego przetestowania.

Dzieje się tak, ponieważ Model, mimo że jest naszym najbardziej wszechstronnym i dokładnym modelem dla fizyki cząstek elementarnych, zawiera luki, przez co nie jest w stanie wyjaśnić wszystkiego, chociażby tego, z czego składa się ciemna materia lub dlaczego we Wszechświecie obserwujemy o wiele więcej materii niż antymaterii. Dlatego naukowcy poszukują cząstek zachowujących się w inny sposób, niż można by się spodziewać po przewidywaniach Modelu Standardowego, aby móc wyjaśnić niektóre z tych tajemnic.

Przygotowania do pracy

Nowy rozruch maszyny nie był zbyt intensywny. We wnętrzu zderzacza krążyła „stosunkowo niewielka liczba protonów” o energii 450 miliardów elektronowoltów - poinformował CERN. - Zderzenia o dużej intensywności i wysokiej energii będą miały miejsce za kilka miesięcy - powiedział Rhodri Jones z CERN.

Eksperci CERN „będą pracować przez całą dobę”, aby zderzacz był gotowy do ustanowienia nowego rekordu energii 13,6 biliona elektronowoltów. Bezprecedensowa liczba nadchodzących zderzeń będzie również początkiem czteroletniego okresu gromadzenia i analizy danych przez cztery ogromne detektory cząstek w CERN.

Ekscytujące kilka lat

Obserwacja bozonu Higgsa dokonana dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów była postrzegana jako kolejne potwierdzenie Modelu Standardowego, który jest najlepszą teorią, jaką dysponują naukowcy na temat najbardziej podstawowych elementów składowych Wszechświata i rządzących nimi sił.

Nowy etap badań prowadzonych przez zderzacz przypada jednak na interesujący okres, ponieważ Model Standardowy znalazł się pod presją serii pomiarów, które wydają się nie pasować do jego ram. Na początku tego miesiąca ponad 400 naukowców ogłosiło, że w świetle ich badań prowadzonych przez dekadę, bozon W ma znacznie większą masę, niż przewiduje Model Standardowy (więcej na ten temat w tekście: Niezwykle precyzyjne pomiary masy bozonu W nie pasują do Modelu Standardowego).

Fizyk cząstek elementarnych z Uniwersytetu w Cambridge Harry Cliff powiedział, że modernizacja zderzacza oznacza „kilka ekscytujących lat”. Cliff bada cząstki zwane kwarkami pięknymi (kwarki b) w Wielkim Zderzaczu Hadronów i przekonuje, że „nie zachowują się one tak, jak byśmy tego oczekiwali” w ramach Modelu Standardowego.

Tajemnicza „piąta siła natury”

- Wszystkie te anomalie mogą być wyjaśnione przez jedną nową siłę - powiedział Cliff. Obecnie znane są cztery podstawowe siły natury - grawitacja, elektromagnetyzm oraz oddziaływania silne i słabe. - Odkrycie piątej siły byłoby naprawdę wielką sprawą – mówi Cliff.

Naukowcy przyznają, że wiemy mniej, niż nam się wydaje. - Może być tak, że patrzymy tylko na jeden róg obrazu, a istnieje o wiele większa przestrzeń, w której Model Standardowy się sprawdza - tłumaczy Cliff. - Tak czy inaczej nowe badania będą krokiem na drodze do bardziej jednolitego zrozumienia podstawowych składników Wszechświata – dodaje.

Jedną z największych dziur w Modelu Standardowym jest to, że nie uwzględnia on ciemnej materii, która, jak się uważa, stanowi znaczną część Wszechświata. Jak dotąd Wielki Zderzacz Hadronów nie znalazł żadnych śladów ciemnej materii. - Ze swej natury jest ona trudna do wykrycia. Byłoby wielkim przełomem, gdybyśmy znaleźli cząstkę ciemnej materii - mówi Cliff.

 

Źródło: Science Alert, AFP, fot. CERN