Wielki zderzacz hadronów i granica fizyki

The nauka fizyki cząstek elementarnych patrzy na same budulce materii - atomy i cząstki, które tworzą znaczną część materii w kosmosie. Jest to złożona nauka, która wymaga drobiazgowych pomiarów cząstek poruszających się z dużą prędkością. Ta nauka zyskała ogromny rozgłos, gdy Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) rozpoczął działalność we wrześniu 2008 roku. Jego nazwa brzmi bardzo „science fiction”, ale słowo „zderzacz” w rzeczywistości wyjaśnia dokładnie, co robi: wysyłają dwie wysokoenergetyczne wiązki cząstek z prędkością zbliżoną do prędkości światła wokół 27-kilometrowego metra pod ziemią pierścień. W odpowiednim czasie wiązki zmuszone są do „zderzenia”. Protony w wiązkach rozbijają się następnie, a jeśli wszystko pójdzie dobrze, na krótką chwilę powstają mniejsze kawałki i cząstki - zwane cząsteczkami subatomowymi. Ich działania i istnienie są rejestrowane. Dzięki tej aktywności fizycy dowiadują się więcej o bardzo podstawowych składnikach materii.

LHC został zbudowany, aby odpowiedzieć na niektóre niezwykle ważne pytania w fizyce, zagłębiając się w to, skąd bierze się masa, dlaczego kosmos jest zrobiony z materii zamiast

Nauka fizyki cząstek jest w zasadzie poszukiwaniem bardzo podstawowe budulce materii. Wiemy o atomach i cząsteczkach, które tworzą wszystko, co widzimy i czujemy. Same atomy składają się z mniejszych elementów: jądra i elektronów. Samo jądro składa się z protonów i neutronów. To jednak nie koniec linii. Neutrony składają się z cząstek subatomowych zwanych kwarkami.

Czy są mniejsze cząsteczki? Właśnie do tego celu służą akceleratory cząstek. Robią to w taki sposób, aby stworzyć warunki podobne do tego, jak to było zaraz potem Wielki Wybuch - wydarzenie, które zapoczątkowało wszechświat. W tym momencie, około 13,7 miliarda lat temu, wszechświat składał się wyłącznie z cząstek. Byli rozproszeni swobodnie w kosmosie niemowlęcia i nieustannie wędrowali. Należą do nich mezony, piony, bariony i hadrony (od których nazywany jest akcelerator).

Fizycy cząstek (ludzie, którzy badają te cząsteczki) podejrzewają, że materia składa się z co najmniej dwunastu rodzajów cząstek podstawowych. Są one podzielone na kwarki (wspomniane powyżej) i leptyny. Jest ich sześć. To tylko niektóre podstawowe cząstki w przyrodzie. Reszta powstaje w zderzeniach superenergetycznych (w Wielkim Wybuchu lub w akceleratorach, takich jak LHC). Wewnątrz tych zderzeń fizycy cząstek bardzo szybko dostrzegają warunki w Wielkim Wybuchu, kiedy powstały cząstki fundamentalne.

LHC jest największym akceleratorem cząstek na świecie, starszą siostrą Fermilab w Illinois i innych mniejszych akceleratorów. LHC znajduje się w pobliżu Genewy w Szwajcarii, zbudowanej i obsługiwanej przez Europejską Organizację Badań Jądrowych, i wykorzystywanej przez ponad 10 000 naukowców z całego świata. Wzdłuż pierścienia fizycy i technicy zainstalowali niezwykle silne przechłodzone magnesy, które prowadzą i kształtują wiązki cząstek przez rurkę wiązki). Gdy wiązki poruszają się wystarczająco szybko, wyspecjalizowane magnesy prowadzą je do właściwych pozycji, w których dochodzi do kolizji. Specjalistyczne detektory rejestrują kolizje, cząstki, temperatury i inne warunki w tym czasie zderzenia i akcji cząstek w miliardowych częściach sekundy, podczas których trwają rozbicia miejsce.

Kiedy fizycy cząstek planowali i budowali LHC, mieli nadzieję znaleźć dowody bozon Higgsa. To cząsteczka nazwana na cześć Peter Higgs, który przewidział jego istnienie. W 2012 r. Konsorcjum LHC ogłosiło, że eksperymenty ujawniły istnienie bozonu spełniającego oczekiwane kryteria bozonu Higgsa. Oprócz ciągłego poszukiwania Higgsa, naukowcy używający LHC stworzyli tak zwaną „plazmę kwarkowo-gluonową”, która jest najgęstszą materią, o której uważa się, że istnieje poza czarną dziurą. Inne eksperymenty z cząstkami pomagają fizykom zrozumieć supersymetrię, która jest symetrią czasoprzestrzenną, która obejmuje dwa pokrewne typy cząstek: bozony i fermiony. Uważa się, że każda grupa cząstek ma powiązaną cząstkę superpartnera w drugiej. Zrozumienie takiej supersymetrii dałoby naukowcom głębszy wgląd w tak zwany „model standardowy”. To teoria, która wyjaśnia, czym jest świat, co łączy jego materię oraz zaangażowane siły i cząstki.

Operacje w LHC obejmowały dwa główne „obserwacyjne” przebiegi. Pomiędzy nimi system jest odnawiany i unowocześniany w celu poprawy oprzyrządowania i detektorów. Kolejne aktualizacje (planowane na 2018 r. I kolejne lata) obejmą zwiększenie prędkości zderzeń i szansę na zwiększenie jasności maszyny. Oznacza to, że LHC będzie widział coraz rzadsze i szybsze procesy przyspieszania i zderzenia cząstek. Im szybciej mogą wystąpić kolizje, tym więcej energii zostanie uwolnione, ponieważ w grę wchodzą coraz mniejsze i trudniejsze do wykrycia cząstki. To zapewni fizykom cząstek jeszcze lepsze spojrzenie na same budulce materii, z których składają się gwiazdy, galaktyki, planety i życie.