CERN chce zbudować akcelerator nowej generacji czterokrotnie większy od LHC

Naukowcy z Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych przedstawili projekt Future Circular Collider, który ma być następcą Wielkiego Zderzacza Hadronów. Nowy akcelerator cząstek ma być blisko czterokrotnie dłuższy i mieć dziesięciokrotnie większą moc od swojego poprzednika.

Future Circular Collider

Do odkrycia największych sekretów Wszechświata Wielki Zderzacz Hadronów (Large Hadron Collider – LHC) jest niewystarczający. Potrzeba zupełnie nowego akceleratora cząstek. By poznać tajemnice otaczającej nas rzeczywistości europejscy fizycy chcą zbudować Future Circular Collider (FCC) – urządzenie znacznie większe od LHC.

Opublikowany przez Europejską Organizację Badań Jądrowych (CERN) projekt zakłada budowę akceleratora o długości 100 kilometrów. LHC ma 27 kilometrów długości. Proponowane urządzenia miałoby także dziesięciokrotnie większą moc od LHC i mogłoby zapisać kolejny rozdział w fizyce cząstek elementarnych.

– Projekt pokazuje ogromny potencjał FCC, aby pogłębić naszą wiedzę na temat podstawowej fizyki i rozwinąć wiele technologii o szerokim wpływie na społeczeństwo – powiedziała Fabiola Gianotti, dyrektor generalna CERN.

Plany CERN zostały przedstawione w raporcie z projektu koncepcyjnego. Zostaną one rozpatrzone przez międzynarodowy zespół fizyków cząstek elementarnych wraz z innymi wnioskami, które są analizowane przy tworzeniu nowej, europejskiej strategii fizyki cząstek elementarnych. Dokument ma zostać opublikowany w przyszłym roku.

Profesor Jon Butterworth z University College w Londynie, który jest jednym z naukowców pracujących nad nową strategią, przyznał w rozmowie z BBC, że jest szczególnie zainteresowany propozycją CERN. – To bardzo ambitny program, bardzo ekscytujący i byłby moim planem A – powiedział badacz.

Propozycja obejmuje wykopanie nowego tunelu pod ziemią, który miałby się znajdować w okolicach obecnego LHC, a następnie zbudowanie i stopniowe instalowanie w nim całej niezbędnej infrastruktury. Początkowo zderzałyby się w nim elektrony ze swoimi antycząstkami – pozytonami. Etap drugi zakłada zderzenia hadronów z elektronami. Oba etapy stworzyłyby grunt pod ostatni krok, w którym cząstki zderzałby się ze sobą z blisko dziesięciokrotnie większą energią niż w przypadku LHC.

Energia zderzeń LHC wynosi 14 TeV. W FCC naukowcy mają nadzieję osiągnąć 100 TeV. Fizycy sądzą, że badania przy tak wysokich energiach ujawnią nowe królestwo cząstek subatomowych.

Najbardziej znanym osiągnięciem LHC jest potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa. To kamień węgielny Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych – teorii, która najlepiej opisuje cząstki elementarne i siły, które je łączą. Odkryto go w 2012 roku i od tamtego czasu fizycy pracujący w LHC badają jego naturę. Badacze w szczególności analizują sposób, w jaki bozon się rozpada lub przekształca w inne cząsteczki, aby sprawdzić przewidywania Modelu Standardowego.

W ciągu ostatnich trzech lat eksperymenty w LHC rozszerzyły pomiary tempa rozpadów bozonów Higgsa, w tym najbardziej powszechnego, ale trudnego do wykrycia rozpadu na kwarki denne. Eksperymenty ATLAS i CMS przedstawiły również zaktualizowany pomiar masy bozonów Higgsa z najlepszą jak dotąd precyzją.

Poza bozonem Higgsa, eksperymenty LHC dały szeroki wachlarz wyników i setki publikacji naukowych, w tym odkrycie nowych egzotycznych cząstek, takich jak bariony Xi-cc ++ czy pentakwarki.

Ale mimo osiągnięć dokonanych w LHC, nasze dążenia do zrozumienia Wszechświata jest dalekie od zakończenia. Istnieje wiele ważnych pytań, a obecny akcelerator nie jest w stanie sprostać wyzwaniu i dostarczyć dowodów, które są nam potrzebne, aby na nie odpowiedzieć. Skąd bierze się mała masa neutrin? Dlaczego bozon Higgsa jest tak niesamowicie lekki? Gdzie jest cała antymateria we Wszechświecie? I jaka jest prawdziwa natura ciemnej materii? To tylko niektóre z nich.

Model Standardowy nie wyjaśnia wszystkiego. Galaktyki obracają się szybciej, niż powinny, a ekspansja Wszechświata przyspiesza, a nie zwalnia. Poza tym teoria ta nie wyjaśnia grawitacji. Muszą zatem zachodzić głębsze procesy, których wyjaśnienie wymaga odkrycia nowych cząstek. Dałoby to fizykom nowe argumenty w poszukiwaniu teorii wszystkiego, która łączyłaby wszystkie siły natury i jednoczyła dwa filary, na których opiera się współczesna fizyka: ogólną teorię względności i mechanikę kwantową.

Problem polega na tym, że fizycy nie wiedzą, jakich energii zderzeń hadronów potrzeba, by odkryć enigmatyczne super cząstki, które trzymają klucze do nieznanego nam królestwa. Badacze z CERN mają nadzieję, że przedstawiona propozycja krok po kroku pozwoli określić wymaganą energię, która jest potrzebna do znalezienia egzotycznych cząstek.

Jednak nie ma żadnych gwarancji, że FCC zostanie zbudowany. Przekonanie decydentów, by przeznaczyli około 25 miliardów euro na budowę kompleksu, będzie niezwykle trudne.  

Akcelerator cząstek o długości 100 kilometrów planują zbudować także Chiny. Circular Electron Positron Collider (CEPC) ma powstać do 2030 roku. Więcej na ten temat w tekście: W Chinach powstanie następca Wielkiego Zderzacza Hadronów.

Źródło: CERNBBCScience Alert, fot. CERN

NAJNOWSZE WPISY