Големият адронен колайдер (LHC) е най-големият и най-мощен ускорител на частици в света. Разположен в CERN близо до Женева, Швейцария, дългата почти 27 километра верига беше пусната на 5 юли 22, след като прекара четири години офлайн за надстройки. След като тези поправки са завършени, учените искат да използват гигантския ускорител, за да разбиват протони заедно при рекордни енергии до 13,6 трилиона електронволта (TeV) – енергийно ниво, което би трябвало да увеличи шансовете ускорителят да произвежда частици, които все още не са наблюдавани от науката.
Ъпгрейдите на лъчите от частици на ускорителя направиха нещо повече от увеличаване на техния енергиен диапазон; повишеното ниво на компактност, което прави лъчите по-плътни с частици, ще увеличи вероятността от сблъсък толкова много, че се очаква ускорителят да улови повече взаимодействия на частици в третия си цикъл, отколкото в предишните си два комбинирани. По време на двата предишни периода, от 2009 до 2013 и от 2015 до 2018, атомният разбивач подкрепи разбирането на физиците за това как си взаимодействат основните градивни елементи на материята – наречен Стандартен модел – и доведе до откриването на отдавна прогнозирания Хигс бозон, неуловимата частица, която придава на цялата материя нейната маса.
Но въпреки експериментите на ускорителя, които произведоха 3000 научни статии за много дребни открития и изкусителни намеци за по-дълбока физика, учените все още не са открили убедителни доказателства за нови частици или чисто нова физика. След това надграждане те се надяват това да се промени.
„Ние ще измерим силата на взаимодействията на Хигс бозона с материята и ще приведем частиците до безпрецедентна прецизност и ще продължим нашите търсения за разпад на Хигс бозона до частици тъмна материя, както и търсенето на допълнителни Хигс бозони“, казва Андреас Хьокер, говорител на сътрудничеството LHCs ATLAS, международен проект, който включва физици, инженери, техници, студенти и помощен персонал, се казва в изявление.
Вътре в дългия 17 мили подземен пръстен на LHC протоните се движат със скорост, близка до скоростта на светлината, преди да се блъснат един в друг. Резултатът? Образуват се нови и понякога екзотични частици. Колкото по-бързо се движат тези протони, толкова повече енергия имат. И колкото повече енергия имат, толкова по-масивни частици могат да произведат, като се разбият една в друга. Атомни разбивачи като LHC откриват възможни нови частици, като търсят издайнически продукти на разпадане, тъй като по-тежките частици обикновено са с кратък живот и веднага се разпадат на по-леки частици.
Една от целите на LHC е да проучи допълнително Стандартния модел, математическата рамка, която физиците използват, за да опишат всички известни фундаментални частици във Вселената и силите, чрез които те взаимодействат. Въпреки че моделът съществува в окончателната си форма от средата на 70-те години на миналия век, физиците далеч не са доволни от него и постоянно търсят нови начини да го тестват и, ако имат късмет, да открият нова физика, която ще го накара да се провали. Това е така, защото моделът, въпреки че е най-изчерпателният и точен досега, има огромни пропуски, което го прави напълно неспособен да обясни откъде идва силата на гравитацията, от какво се състои тъмната материя или защо има толкова повече материя, отколкото антиматерия във Вселената.
Докато физиците искат да използват подобрения ускорител, за да изследват правилата на Стандартния модел и да научат повече за бозона на Хигс, подобренията на четирите основни детектора на LHC също го оставят в добра позиция за търсене на физика отвъд това, което вече е известно. Основните детектори на LHC – ATLAS и CMS – са надградени, за да събират повече от два пъти данните, които са правили преди в новата си задача да търсят частици, които могат да се задържат при два сблъсъка; и детекторът LHCb, който сега събира 10 пъти повече данни, отколкото преди, ще търси прекъсвания във фундаменталните симетрии на Вселената и обяснения защо в космоса има повече материя, отколкото антиматерия.
Междувременно детекторът ALICE ще започне да изучава сблъсъци на високоенергийни йони, от които ще има 50-кратно увеличение на записаните в сравнение с предишни серии. След като се разбият заедно, йоните – атомните ядра, на които е даден електрически заряд чрез отстраняването на електрони от техните орбитални обвивки – произвеждат първична субатомна супа, наречена кварк-глуонна плазма, състояние на материята, което съществува само през първата микросекунда след Големия взрив.
В допълнение към тези изследователски усилия, множество по-малки групи ще изследват корените на други физични мистерии с експерименти, които ще изучават вътрешностите на протоните; изследване поведението на космическите лъчи; и търсене на дълго теоретизирания магнитен монопол, хипотетична частица, която е изолиран магнит само с един магнитен полюс. Към тях са добавени два нови експеримента, наречени FASER (Експеримент за търсене напред) и SND (Детектор за разсейване и неутрино), които станаха възможни чрез инсталирането на два нови детектора по време на скорошното спиране на ускорителя. FASER ще сканира за изключително леки и слабо взаимодействащи частици, като неутрино и тъмна материя, а SND ще търси изключително неутрино, призрачни частици, които могат да пътуват през повечето материя, без да взаимодействат с нея.
Някои физици на елементарни частици са особено развълнувани да търсят, така дълго търсеният аксион, странна хипотетична частица, която не излъчва, абсорбира или отразява светлина и е ключов заподозрян за това от какво се състои тъмната материя. Този трети цикъл на LHC е планиран да продължи четири години. След това време сблъсъците ще бъдат спрени още веднъж за по-нататъшни подобрения, които ще изтласкат LHC до още по-високи нива на мощност. След като бъде надграден и започне да работи отново през 2029 г., High Luminosity LHC се очаква да улови 10 пъти повече данни от предишните три серии заедно.
