LHC to z pewnością nie ostatni z pomysłów naukowców, a większe i potężniejsze zderzacze cząstek nadal będą powstawać. Co czeka nas po LHC? Przedstawiamy naukowe możliwości i trwające juz projekty.
Co po odkryciu bozonu Higgsa?
Chociaż emocje towarzyszące startowi LHC i jego wyścigu z Tevatronem są olbrzymie, odnalezienie bozonu Higgsa nie oznacza bynajmniej rozwiązania wszystkich problemów fizyki. Doświadczalne potwierdzenie istnienia tzw. Boskiej Cząstki jest przewidywane w ciągu trzech najbliższych lat. Będzie oznaczało, że przewidywania Modelu Standardowego są słuszne i że Wszechświat jest przeniknięty polem Higgsa, dzięki czemu wszystkie cząstki uzyskują swoją masę.
Mimo to nawet po odkryciu bozonu Higgsa zderzacze nie przestaną powstawać. Kolejny super-zderzacz będzie mógł zderzać cząstki częściej i bardziej precyzyjnie, dzięki czemu weźmie pod lupę właściwości Boskiej Cząstki. Wysokie energie, na których będzie pracował, przydadzą się zwłaszcza wtedy, jeśli Higgs okaże się ciężką cząstką.
Naukowcy są zapobiegawczy. Już teraz przewidują, że do badania ciężkich cząstek lepiej nadaje się zderzacz liniowy – taki jak International Linear Collider (ILC – Międzynarodowy Zderzacz Liniowy), którego ukończenie planowane jest na ok. 2020 rok, a obecnie trwa jego faza koncepcyjna. Składający się z dwóch zderzaczy ILC będzie w stanie zderzać 10 miliardów elektronów, ich anty-cząstek i pozytronów, przyspieszając je do prędkości światła, a jego zadaniem będzie uzupełnianie analiz prowadzonych w LHC.
Europejczycy mają jednak pomysł na własny zderzacz liniowy. Budowa Kompaktowego Zderzacza Liniowego (CLIC – Compact Linear Collider) jest już zaplanowana przez CERN. Jego cechą będzie jeszcze wyższa energia zderzeń, która pomoże w badaniach nad właściwościami bozonu Higgsa.
Co jednak, jeśli nie odnajdziemy Higgsa?
Jeżeli w ciągu trzech lat nie uda się odnaleźć Boskiej Cząstki (i o ile nie będzie to wynikało z kolejnych awarii LHC), wówczas fizycy dojdą do wniosku, że oznacza to, że pole Higgsa jest bardziej skomplikowane. Co to oznacza w praktyce? Naukowcy przypuszczają, że mogłoby to wynikać z faktu rozkładu bozonu Higgsa na niewidzialne cząstki – czyli takie, które nie wchodzą w interakcję z detektorem. Drugim rozwiązaniem byłoby przyjęcie nie-standardowego modelu Higgsa, co oznaczałoby, że Boska Cząstka jest lżejsza lub cięższa niż przypuszczano – a przez to trudniejsza do odnalezienia. Różnych bozonów Higgsa mogłoby też być więcej, a pole Higgsa mogłoby okazać się bardziej egzotyczne.
Tak czy siak, jeżeli w ciągu trzech lat nie uda się odnaleźć Boskiej Cząstki, trzeba będzie rozważyć inne mechanizmy. Na przykład uważa się, że bozon Higgsa może powstać na skutek kolizji dwóch bozonów W – warto zatem spróbować tego sposobu. Nawet jeżeli bozon Higgsa po prostu nie istnieje, wynik zderzenia bozonów W będzie dobrym punktem do podjęcia nowych badań i odnalezienia tego, co właściwie decyduje o masie materii. Do tego celu przyda się zaś jeszcze większy zderzacz – SuperLHC, który powstanie w wyniku przebudowy LHC.
Brak odkrycia bozonu Higgsa będzie zdecydowanie złą wiadomością dla konstruktorów wspomnianego wyżej ILC, ponieważ ten zderzacz liniowy będzie dysponował mniejszą energią niz LHC, a przez to szansa, że odnajdziemy w nim cięższego Higgsa, jest nikła. CLIC może być wówczas lepszą opcją.
Supersymetria – czym to się je?
To jednak nie przekreśla szans ILC na naukowy sukces, ponieważ współczesna fizyka ma w zanadrzu mnóstwo teorii, które czekają na swoje potwierdzenie. Jedną z nich jest Supersymetria (SUSY). To teoria, która sugeruje, że we Wszechświecie powinna istnieć identyczna liczba fermionów i ich partnerów supersymetrycznych - bozonów. Mówiąc innymi słowy – każda cząstka ma swojego anty-partnera. Tak np. elektronowi, który jest fermionem, powinien towarzyszyć hipotetyczny bozon o tym samym ładunku, który nazywamy selektronem, a fotonowi, który jest bozonem, powinien towarzyszyć fermion fotino. Jak dotąd nie zaobserwowano żadnych supersymetrycznych partnerów znanych już cząstek, ale wielu fizyków jest przekonana, że tacy „partnerzy” istnieją. Niektóre hipotezy fizyczne dają wyniki bliższe rzeczywistości po uwzględnieniu supersymetrii, co jest przesłanką potwierdzającą tę teorię.
Inaczej niż w przypadku bozonu Higgsa, cząstki według tej teorii nie pokazują się bezpośrednio – w niektórych modelach wręcz przenikają detektor, w ogóle na niego nie oddziałując. Ich obecność można potwierdzić nie-wprost, wnioskując ją z energii, której brakuje w danym zderzeniu. W najbardziej prawdodpodbnej wersji SUSY, najlżejsze cząstki powinny zacząć „pojawiać się” dzięki tej metodzie już w ciągu pierwszego roku pracy LHC. Trzeba przypom,nieć, że najlżejsza supersymetryczna cząstka jest kandydatem fizyków na główny składnik tzw. ciemnej materii.
SuperLHC mógłby podjąć pomiary masy i spinu większości cząstek przewidywanych przez SUSY, a także wykryć najcięższe z nich, pozostające poza badawczym zasięgiem LHC. Do badania SUSY najlepsze będą jednak zderzacze liniowe, ponieważ energia początkowa kolidujących elektronów i pozytronów jest znana. To sprawia, że idealnym kandydatem do ich badania będzie właśnie ILC.
Nowa fizyka – czy to jest groźne?
Jak dotąd nie udało się wymyślić teorii wszystkiego. Także Model Standardowy zdecydowanie nią nie jest. Właśnie dlatego termin „nowa fizyka” odnosi się do wszystkiego, co nie mieści sie w Modelu Standardowym. Poza Supersymetrią, w jej skład wchodzą także grawitony czy cząstki kojarzone z dodatkowymi wymiarami. Jeżeli są lekkie, powinniśmy je zobaczyć już w LHC
Kiedy dany fenomen zostanie zaobserwowany, będzie trzeba uzupełnić teorie, która go przewiduje. Na przykład potwierdzenie SUSY czy modeli z dodatkowymi wymiarami będzie krokiem w kierunku rozwinięcia teorii strun. sLHC będzie doskonałym narzędziem do zbierania danych na temat nowej fizyki. Zderzacze liniowe okażą się zaś przydatne do uszczegółowienia zebranych danych.
CO NAS CZEKA? POCZET ZDERZACZY:
Super LHC
Jeszcze większa i jeszcze potężniejsza wersja LHC, bazująca na obecnie istniejącym Wielkim Zderzaczu. Jego możliwości będą 10-krotnie większe niż LHC – a zatem 10 razy więcej kolizji o 10 razy większej energii po to, żeby obejrzeć ciekawsze zderzenia. Europo, drżyj!
Data ukończenia: 2018
Koszt: 1.27 miliarda $
ILC
Jeżeli uda się potwierdzić finansowanie do 2012, rozpoczną się prace nad 35-kilometrowym prostym tunelem. LHC zderza protony (zawierające kwarki i gluony), ILC będzie natomiast zderzał elektrony i pozytrony.
Data ukończenia: lata 2020-te
Koszt: 8 miliardów $
CLIC
Będzie zderzał elektrony i pozytrony – dokładnie tak jak ILC. Także czeka jeszcze na aprobatę międzynarodowego środowiska naukowego. Będzie krótszy od ILC i będzie mógł doprowadzać do kolizji o wyższych energiach (sugeruje się, że takie same energie ILC mógłby otrzymać, dysponując 140-km tunelem).
Data ukończenia: lata 2020-te
Koszt: Nieoficjalnie ok. 10 miliardów $
A w przyszłości:
Very LHC (Very Large Hadron Collider) - to na razie tylko propozycja. Następca sLHC już czeka na wejście w fazę koncepcyjną. Miałby zderzać cząstki z energią 40 do 200 TeV i musiałby być zbudowany od zera. Mówi się już także o zderzaczach mionów i LHeC, gdzie kolidowałyby elektrony z protonami.
Eugeniusz Wiśniewski
Na podstawie: New Scientist