Không ai nhắn tin với Máy Va chạm Hadron Lớn. Đó là máy nghiền hạt tối cao của thời đại hiện nay, và không có gì có thể chạm vào khả năng năng lượng hoặc khả năng nghiên cứu các biên giới của vật lý. Nhưng tất cả vinh quang là nhất thời, và không có gì tồn tại mãi mãi. Cuối cùng, đâu đó vào khoảng năm 2035, đèn ở vòng điện dài 17 dặm (27 km) này sẽ tắt. Điều gì đến sau đó?
Các nhóm cạnh tranh trên khắp thế giới đang chen lấn để đảm bảo sự hỗ trợ tài chính để biến ý tưởng máy va chạm thú cưng của họ thành điều lớn tiếp theo. Một thiết kế đã được mô tả vào ngày 13 tháng 8 trong một bài báo trên tạp chí in sẵn arXiv. Được biết đến với cái tên Compact linear Collider (hay CLIC, vì nó dễ thương), khẩu súng đường sắt hạ nguyên tử khổng lồ được đề xuất dường như là ứng cử viên hàng đầu. Bản chất thực sự của boson Higgs là gì? Mối quan hệ của nó với quark hàng đầu là gì? Chúng ta có thể tìm thấy bất kỳ gợi ý nào về vật lý ngoài Mô hình chuẩn không? CLIC có thể trả lời những câu hỏi đó. Nó chỉ liên quan đến một máy va chạm hạt dài hơn Manhattan.
Cuộc đua kéo hạ nguyên tử
Máy va chạm Hadron lớn (LHC) đập vỡ các hạt hơi nặng gọi là hadron (do đó là tên của cơ sở). Bạn có một loạt các hadron bên trong cơ thể của bạn; proton và neutron là đại diện phổ biến nhất của gia tộc siêu nhỏ đó. Tại LHC, vòng và vòng các hadron đi theo một vòng tròn khổng lồ, cho đến khi chúng tiến gần đến tốc độ ánh sáng và bắt đầu đập vỡ. Mặc dù ấn tượng - LHC đạt đến năng lượng không thể so sánh với bất kỳ thiết bị nào khác trên Trái đất - toàn bộ sự việc là một mớ hỗn độn. Rốt cuộc, hadron là các hạt kết tụ, chỉ là những túi khác, nhỏ hơn, cơ bản hơn, và khi hadron đập vỡ, tất cả ruột của chúng tràn ra khắp nơi, khiến cho việc phân tích trở nên phức tạp.
Ngược lại, CLIC được thiết kế đơn giản hơn, sạch sẽ hơn và phẫu thuật hơn. Thay vì hadron, CLIC sẽ tăng tốc electron và positron, hai hạt cơ bản, nhẹ. Và người đập bể này sẽ đẩy nhanh tiến độ các hạt trong một đường thẳng, bất cứ nơi nào 7-31 dặm (11-50 km), tùy thuộc vào thiết kế cuối cùng, phải xuống thùng.
Tất cả điều tuyệt vời này sẽ không xảy ra cùng một lúc. Kế hoạch hiện tại là để CLIC có được công suất thấp hơn vào năm 2035, ngay khi LHC đang đi xuống. CLIC thế hệ đầu tiên sẽ hoạt động ở mức chỉ 380 gigaelectronvolts (GeV), ít hơn một phần ba của công suất tối đa của LHC. Trên thực tế, ngay cả sức mạnh hoạt động đầy đủ của CLIC, hiện được nhắm mục tiêu đến 3 teraelectronvolts (TeV), chưa bằng một phần ba so với những gì LHC có thể làm bây giờ.
Vì vậy, nếu một máy va chạm hạt thế hệ tiếp theo tiên tiến không thể đánh bại những gì chúng ta có thể làm ngày hôm nay, thì sao?
Thợ săn Higgs
Câu trả lời của CLIC là làm việc thông minh hơn, không khó hơn. Một trong những mục tiêu khoa học chính của LHC là tìm ra boson Higgs, hạt được tìm kiếm từ lâu cho vay các hạt khác có khối lượng của chúng. Quay trở lại những năm 1980 và 1990, khi LHC được thiết kế, chúng tôi không chắc Higgs thậm chí còn tồn tại và chúng tôi không biết khối lượng của nó và các thuộc tính khác là gì. Vì vậy, chúng tôi đã phải xây dựng một công cụ đa năng có thể điều tra nhiều loại tương tác mà tất cả có khả năng tiết lộ một hạt Higgs.
Và chúng tôi đã làm. Hoan hô!
Nhưng bây giờ chúng ta biết rằng hạt Higgs là một thứ có thật, chúng ta có thể điều chỉnh các máy gia công của mình thành một tập hợp tương tác hẹp hơn nhiều. Để làm như vậy, chúng tôi sẽ nhắm đến việc sản xuất càng nhiều boson Higgs càng tốt, thu thập đống dữ liệu ngon ngọt và tìm hiểu nhiều hơn về hạt bí ẩn nhưng cơ bản này.
Và đây có lẽ là một thuật ngữ vật lý kỳ lạ nhất mà bạn có thể gặp phải trong tuần này: Higgsstrahlung. Vâng, bạn đọc đúng rồi. Có một quá trình trong vật lý hạt được gọi là bremsstrahlung, đây là một loại bức xạ độc đáo được tạo ra bởi một loạt các hạt nóng được nhồi nhét vào một hộp nhỏ. Bằng cách tương tự, khi bạn đập một electron vào một vị trí ở năng lượng cao, chúng sẽ phá hủy lẫn nhau trong một cơn mưa năng lượng và các hạt mới, trong số đó có một boson Z kết hợp với hạt Higgs. Do đó, Higgsstrahlung.
Tại 380 Gev, CLIC sẽ là một nhà sản xuất phụ của nhà máy Higgsstrahlung.
Ngoài quark hàng đầu
Trong bài báo mới, Aleksander Filip Zarnecki, nhà vật lý tại Đại học Warsaw ở Ba Lan và là thành viên của CLIC, đã giải thích tình trạng hiện tại của thiết kế của cơ sở, dựa trên các mô phỏng tinh vi của máy dò hạt và va chạm hạt.
Hy vọng với CLIC là chỉ cần tạo ra càng nhiều boson Higgs càng tốt trong môi trường sạch sẽ, dễ nghiên cứu, chúng ta có thể tìm hiểu thêm về hạt. Có nhiều hơn một hạt Higgs? Họ có nói chuyện với nhau không? Higgs tương tác mạnh mẽ như thế nào với tất cả các hạt khác của Mô hình Chuẩn, lý thuyết cơ bản của vật lý hạ nguyên tử?
Triết lý tương tự sẽ được áp dụng cho quark hàng đầu, ít được hiểu rõ nhất và hiếm nhất trong số các quark. Có lẽ bạn chưa từng nghe nhiều về quark hàng đầu bởi vì nó là một kẻ cô độc - đó là quark cuối cùng được phát hiện, và chúng ta chỉ hiếm khi thấy nó. Ngay cả ở giai đoạn ban đầu, CLIC sẽ sản xuất khoảng 1 triệu quark hàng đầu, cung cấp một sức mạnh thống kê chưa từng thấy khi sử dụng LHC và các máy va chạm hiện đại khác. Từ đó, nhóm đằng sau CLIC hy vọng sẽ điều tra làm thế nào các hạt quark hàng đầu phân rã, điều này rất hiếm khi xảy ra. Nhưng với một triệu người trong số họ, bạn có thể học được điều gì đó.
Nhưng đó không phải là tất cả. Chắc chắn, đó là một điều để loại bỏ hạt Higgs và quark hàng đầu, nhưng thiết kế thông minh của CLIC cho phép nó vượt qua ranh giới của Mô hình Chuẩn. Cho đến nay, LHC đã trở nên khô khan trong việc tìm kiếm các hạt mới và vật lý mới. Trong khi nó vẫn còn nhiều năm để làm chúng ta ngạc nhiên, khi thời gian trôi qua, hy vọng đang cạn dần.
Thông qua việc sản xuất thô vô số boson Higgs và quark hàng đầu, CLIC có thể tìm kiếm gợi ý về vật lý mới. Nếu có một số hạt hoặc tương tác kỳ lạ ngoài kia, nó có thể ảnh hưởng tinh tế đến các hành vi, phân rã và tương tác của hai hạt này. CLIC thậm chí có thể tạo ra hạt chịu trách nhiệm cho vật chất tối, vật chất bí ẩn, vô hình đó làm thay đổi tiến trình của thiên đàng. Dĩ nhiên, cơ sở sẽ không thể nhìn thấy vật chất tối trực tiếp (vì trời tối), nhưng các nhà vật lý có thể phát hiện ra khi năng lượng hoặc động lượng bị mất trong các sự kiện va chạm, một dấu hiệu chắc chắn cho thấy điều gì đó thú vị đang diễn ra.
Ai biết CLIC có thể khám phá điều gì? Nhưng cho dù thế nào, chúng ta phải vượt ra khỏi LHC nếu chúng ta muốn có một cơ hội tốt để hiểu các hạt đã biết của vũ trụ của chúng ta và khám phá ra một số hạt mới.
Paul M. Sutter là một nhà vật lý thiên văn tại Đại học bang Ohio, máy chủ của "Hỏi một người không gian" và "Đài phát thanh không gian, "và tác giả của"Vị trí của bạn trong vũ trụ."
