Mitä päivitys tuo CERNiin
Kuusi vuotta löydön jälkeen Higgsin bosoni vahvistaa ennusteen. Pian Large Hadron Colliderin päivitys antaa CERNin tutkijoille mahdollisuuden tuottaa enemmän näitä hiukkasia fysiikan standardimallin testaamista varten
ATLAS-ehdokastapahtuma Higgsin bosonille (H), joka hajoaa kahdeksi pohjakvarkiksi (b), yhdessä myoniksi (μ) ja neutriinoksi (ν) hajoavan W-bosonin kanssa. (Kuva: ATLAS/CERN) Käsikirjoitus: Rashmi Raniwala & Sudhir Raniwala
Kuusi vuotta sen jälkeen, kun Higgsin bosoni löydettiin CERNin suuresta hadronitörmäyttimestä (LHC), hiukkasfyysikot ilmoittivat viime viikolla, että he ovat havainneet kuinka vaikeasti havaittavissa olevat hiukkaset hajoavat. ATLAS:n ja CMS:n yhteistyön esittämä löydös havaitsi Higgsin bosonin hajoavan perustavanlaatuisiksi hiukkasiksi, jotka tunnetaan pohjakvarkeina.
Vuonna 2012 Nobel-palkittu löytö Higgsin bosonista vahvisti fysiikan standardimallin, joka myös ennustaa, että noin 60 % ajasta Higgsin bosoni hajoaa pohjakvarkkipariksi. CERN:n mukaan tämän ennusteen testaaminen on ratkaisevan tärkeää, koska tulos joko tukee standardimallia - joka perustuu ajatukseen, että Higgsin kenttä antaa kvarkeille ja muille perushiukkasille massaa - tai heiluttaa sen perustuksia ja viittaa uuteen fysiikkaan.
Higgsin bosoni havaittiin tutkimalla eri energioiden hiukkasten törmäyksiä. Mutta ne kestävät vain yhden zeptosekunnin, joka on 0,000000000000000000001 sekuntia, joten niiden ominaisuuksien havaitseminen ja tutkiminen vaatii uskomattoman paljon energiaa ja kehittyneitä ilmaisimia. CERN ilmoitti aiemmin tänä vuonna, että se saa massiivisen päivityksen, joka valmistuu vuoteen 2026 mennessä.
Miksi tutkia hiukkasia?
Hiukkasfysiikka tutkii luontoa äärimmäisessä mittakaavassa aineen perusaineosien ymmärtämiseksi. Aivan kuten kielioppi ja sanasto ohjaavat (ja rajoittavat) viestintäämme, hiukkaset kommunikoivat toistensa kanssa tiettyjen sääntöjen mukaisesti, jotka on upotettu niin kutsuttuihin 'neljään perusvuorovaikutukseen'. Hiukkaset ja kolme näistä vuorovaikutuksista kuvataan onnistuneesti yhtenäisellä lähestymistavalla, joka tunnetaan nimellä standardimalli. SM on kehys, joka vaati Higgsin bosoniksi kutsutun hiukkasen olemassaolon, ja yksi LHC:n tärkeimmistä tavoitteista oli etsiä Higgsin bosonia.
Miten niin pieniä hiukkasia tutkitaan?
Protonit kerätään nippuihin, kiihdytetään lähes valonnopeuteen ja saatetaan törmäämään. Monet hiukkaset syntyvät tällaisesta törmäyksestä, jota kutsutaan tapahtumaksi. Esiin tulevilla hiukkasilla on ilmeisen satunnainen kuvio, mutta ne noudattavat taustalla olevia lakeja, jotka hallitsevat osaa niiden käyttäytymisestä. Näiden hiukkasten emissiomallien tutkiminen auttaa meitä ymmärtämään hiukkasten ominaisuuksia ja rakennetta.
Aluksi LHC tarjosi törmäyksiä ennennäkemättömillä energioilla, mikä antoi meille mahdollisuuden keskittyä uusien alueiden tutkimiseen. Mutta nyt on aika lisätä LHC:n löytöpotentiaalia tallentamalla suurempi määrä tapahtumia.
(Lähde: CERN) Mitä päivitys sitten tarkoittaa?
Higgsin bosonin löytämisen jälkeen on välttämätöntä tutkia juuri löydetyn hiukkasen ominaisuuksia ja sen vaikutusta kaikkiin muihin hiukkasiin. Tämä vaatii suuren määrän Higgsin bosoneja. SM:ssä on puutteensa, ja on olemassa vaihtoehtoisia malleja, jotka täyttävät nämä aukot. Näiden ja muiden SM:lle vaihtoehdon tarjoavien mallien pätevyyttä voidaan testata kokeilemalla niiden ennusteiden tarkistamiseksi. Jotkut näistä ennusteista, mukaan lukien signaalit pimeästä aineesta, supersymmetrisistä hiukkasista ja muista luonnon syvemmistä mysteereistä, ovat erittäin harvinaisia, ja siksi niitä on vaikea havaita, mikä vaatii edelleen High Luminosity LHC:n (HL-LHC) tarvetta.
Kuvittele, että yrität löytää harvinaisen timanttilajikkeen erittäin suuren määrän näennäisesti samannäköisiä kappaleita joukosta. Halutun timantin löytämiseen kuluva aika riippuu tarkastusaikayksikköä kohti toimitettujen kappaleiden määrästä ja tarkastukseen käytetystä ajasta. Suorittaaksemme tämän tehtävän nopeammin, meidän on lisättävä toimitettujen kappaleiden määrää ja tarkastettava nopeammin. Prosessin aikana voidaan löytää uusia timantinkappaleita, joita ei ole toistaiseksi havaittu ja tuntemattomia, mikä muuttaa näkemystämme harvinaisista timanteista.
Päivityksen jälkeen törmäysten määrä kasvaa ja niin myös useimpien harvinaisten tapahtumien todennäköisyys. Lisäksi Higgsin bosonin ominaisuuksien havaitseminen vaatii niiden runsaan tarjonnan. Päivityksen jälkeen yhden vuoden aikana tuotettujen Higgsin bosonien kokonaismäärä voi olla noin 5 kertaa enemmän kuin tällä hetkellä; ja saman keston aikana tallennettujen tietojen kokonaismäärä voi olla yli 20 kertaa.
HL-LHC:n ehdotetulla valovoimalla (mitta protonien lukumäärästä, jotka ylittävät pinta-alayksikköä aikayksikköä kohti), kokeet pystyvät tallentamaan noin 25 kertaa enemmän dataa samassa ajassa kuin LHC-ajon aikana. LHC:n säteessä on noin 2800 kimppua, joista jokainen sisältää noin 115 miljardia protonia. HL-LHC:ssä on noin 170 miljardia protonia kussakin nipussa, mikä myötävaikuttaa valoisuuden lisääntymiseen kertoimella 1,5.
Miten se päivitetään?
Protonit pidetään yhdessä kasassa käyttämällä erityisiä vahvoja magneettikenttiä, jotka on muodostettu kvadrupolimagneeteilla. Joukon fokusointi pienempään kokoon vaatii vahvempia kenttiä ja siten suurempia virtoja, mikä edellyttää suprajohtavien kaapelien käyttöä. Uusia teknologioita ja uutta materiaalia (Niobium-tina) käytetään tuottamaan vaaditut voimakkaat magneettikentät, jotka ovat 1,5 kertaa nykyiset kentät (8-12 teslaa).
Pitkien kelojen luomista tällaisia kenttiä varten testataan. Uusia laitteita asennetaan yli 1,2 kilometrin päähän 27 kilometrin pituisesta LHC-renkaasta kahden suuren kokeen (ATLAS ja CMS) läheisyyteen, jotta nippuja voidaan tarkentaa ja puristaa juuri ennen niiden risteämistä.
Tehonmuuntimet kytketään kiihdyttimeen satametrisiä suprajohtavaa materiaalia sisältäviä kaapeleita (suprajohtavia linkkejä), joiden kapasiteetti on jopa 100 000 ampeeria. LHC saa protonit kiihdytinketjusta, joka on myös päivitettävä vastaamaan korkean valoisuuden vaatimuksia.
Koska jokaisen nipun pituus on muutaman cm, törmäysten määrän lisäämiseksi nippuihin tuotetaan hieman kallistus juuri ennen törmäyksiä tehollisen päällekkäisalueen lisäämiseksi. Tämä tehdään 'rapuonteloiden' avulla.
Intialainen kokeellinen hiukkasfysiikan yhteisö on osallistunut aktiivisesti ALICE- ja CMS-kokeisiin. HL-LHC vaatii myös näiden päivityksen. Sekä uusien ilmaisimien suunnittelussa että valmistuksessa ja sitä seuranneessa data-analyysissä on merkittävä panos intialaisilla tutkijoilla.
Jaa Ystäviesi Kanssa:
