2008 yılında, dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (LHC) etrafında bir proton demeti sıkıştırıldı. Şimdi, on yıl sonra, bu tesis sayesinde öğrendiklerimizi ve önümüzde neler olduğunu değerlendirmenin zamanı geldi.
Bu muhasebe hem LHC'nin gerçekleştirebileceği gelecekteki araştırmaları hem de LHC'nin başarabileceğinin çok ötesindeki enerjilerde parçacıklar çarpıştırabilecek olası yeni tesisleri içerir. LHC için iki veya belki üç olası değiştirme önerilmiştir. Şimdi son on yılda nerede olduğumuzu ve nereden geldiğimizi gözden geçirelim.
LHC'nin hikayesi hem heyecan verici hem de çalkantılıdır, ilk günlerde felaket hasarından enstrümanın dev mıknatıslarına, bu trajediden anka kuşu benzeri bir yükselişe kadar değişen olaylar ve ardından keşif dahil olmak üzere sağlam ve heyecan verici keşifler Higgs bozonu. Bu bulgu, Peter Higgs ve Francois Englert'e yarım asır önce parçacığı tahmin ettikleri için Nobel Ödülü kazandırdı. Parçacık fiziği haberlerini dünyadan takip etmek alışılmadık bir şey ama Higgs'in keşfinin duyurulması dünya genelinde haber yayınlarına yol açtı.
Yeni fizik bulma
Fizikçiler de koltuklarının kenarındaydı, beklenmedik keşifler olmasını umduklarını bekliyordu. Yaklaşık yarım yüzyıldır, bilim adamları atomaltı maddenin davranışları hakkındaki mevcut teorik anlayışı geliştirdiler. Bu anlayış, parçacık fiziğinin Standart Modeli olarak adlandırılır.
Model, sıradan maddenin moleküllerinin ve atomlarının ve hatta şimdiye kadar gözlemlenen en küçük yapı taşlarının gözlemlenen davranışını açıklar. Bu parçacıklara, atom çekirdeğini oluşturan protonların ve nötronların içinde bulunan kuarklar ve leptonlar denir ve elektronlar en bilinen leptondur. Standart Model, yerçekimi hariç, bilinen tüm kuvvetlerin davranışlarını da açıklar. Gerçekten olağanüstü bir bilimsel başarı.
Ancak, Standart Model teorik fizikteki her şeyi açıklamaz. Kuarkların ve leptonların neden nesiller olarak adlandırılan üç ayrı, ama neredeyse aynı konfigürasyonda neden göründüklerini açıklamıyor. (Neden üç? Neden iki değil? Ya dört? Ya da bir? Veya 20?) Bu model, Albert Einstein'ın görelilik teorisinin en basit anlayışı, evrenin de eşit miktarda antimadde.
Standart Model, kozmos çalışmalarının neden sıradan atom maddesinin evrenin madde ve enerjisinin sadece yüzde 5'ini oluşturduğunu önerdiğini açıklamıyor. Geri kalanın karanlık madde ve karanlık enerjiden oluştuğu düşünülmektedir. Karanlık madde sadece yerçekimini deneyimleyen ve diğer temel güçlerin hiçbirini deneyimlemeyen bir madde biçimidir, karanlık enerji ise kozmosa nüfuz eden itici bir yerçekimi türüdür.
LHC'nin ilk operasyonlarından önce, benim gibi fizikçiler atom parçalayıcısının bu şaşırtıcı soruları cevaplamamıza yardımcı olacağını umuyordu. Bu bulmacaları açıklamak için en yaygın olarak gösterilen aday teorisine süpersimetri denir. Bilinen tüm atom altı parçacıkların "süper parça" muadili parçacıklara sahip olduğunu düşündürmektedir. Bunlar sırayla karanlık madde için bir açıklama sağlayabilir ve diğer bazı soruları cevaplayabilir. Ancak fizikçiler herhangi bir süpersimetri gözlemlemedi. Dahası, LHC verileri süpersimetri içeren en basit teorileri dışladı. Peki, LHC ne başardı?
LHC çok şey yaptı
Tüm Higgs bozonu olayının yanı sıra, LHC dört büyük deneysel işbirliğine veri besledi ve bu da 2.000'den fazla bilimsel makaleye yol açtı. LHC'nin içinde, parçacıklar, LHC bu tacı alana kadar çeyrek yüzyıl boyunca dünyanın en güçlü parçacık hızlandırıcısı unvanını elinde tutan Fermilab Tevatron'un elde ettiğinden 6,5 kat daha yüksek enerjilerde parçalandı.
Standart Modelin bu testleri çok önemliydi. Bu ölçümlerden herhangi biri, bir keşfe yol açacak tahminlerle aynı fikirde olmayabilirdi. Bununla birlikte, Standart Modelin çok iyi bir teori olduğu ortaya çıktı ve LHC çarpışma enerjilerinde önceki Tevatron'daki enerji seviyeleri için olduğu gibi doğru tahminler yaptı.
Peki, bu bir sorun mu? Çok gerçek anlamda, cevap hayır. Ne de olsa bilim, yanlış yeni fikirleri test etmek ve reddetmekle, doğru fikirleri doğrulamakla ilgilidir.
Öte yandan, bilim adamlarının daha önce tahmin edilmemiş fenomenleri bulmak için çok daha heyecanlı olacakları inkar edilemez. Bu tür keşifler insan bilgisini yönlendirir ve ders kitaplarının yeniden yazılmasıyla sonuçlanır.
LHC hikayesi bitmedi
Şimdi ne olacak? LHC bize hikayesini anlatmayı bitirdi mi? Zorlukla. Gerçekten de, araştırmacılar mevcut teknolojiyi kullanarak ele alamadıkları soruları incelemelerine yardımcı olacak ekipman geliştirmelerini dört gözle bekliyorlar. LHC, Aralık 2018 başında iki yıllık yenileme ve yükseltmeler için kapanmıştır. Hızlandırıcı 2021 ilkbaharında tekrar çalışmaya başladığında, enerjide hafif bir artışla dönecek, ancak saniyede çarpışma sayısını iki katına çıkaracaktır. LHC bilim adamları gelecekteki planlanan yükseltmeleri dikkate alarak şimdiye kadar beklenen verilerin sadece yüzde 3'ünü kaydetti. Tüm bulguları gözden geçirmek uzun yıllar alacak olsa da, mevcut plan bugüne kadar elde edilen verilerin yaklaşık 30 katını kaydetmektir. Bu çok daha fazla veriyle LHC'nin anlatacak çok hikayesi var.
Yine de, LHC muhtemelen 20 yıl daha çalışacak olsa da, "Sırada ne var?" Parçacık fizikçileri LHC'nin yerini almak için bir parçacık hızlandırıcısı oluşturmayı düşünmektedir. LHC geleneğini takiben, bir olasılık, LHC'nin 14 TeV'nin en büyük kapasitesinden çok daha büyük olan 100 trilyon elektron volt (TeV) olan akıllara durgunluk veren enerjilerde proton ışınlarını bir araya getirecektir. Ancak bu enerjileri başarmak için iki şey gerekir: Birincisi, parçacıkları LHC'nin etrafına itenlerin iki katı kadar güçlü mıknatıslar yapmamız gerekirdi. Bu zorlayıcı ama ulaşılabilir sayılır. İkincisi, LHC'lere benzeyen başka bir tünele ihtiyacımız olacak, ancak LHC'ninkinden dört kat daha büyük, 61 mil (100 kilometre) bir basketbol sahası çevresi ile üç kat daha büyük.
Ancak bu büyük tünel nerede inşa edilecek ve gerçekten neye benzeyecek? Hangi ışınlar ve hangi enerjide çarpışacak? Bunlar güzel sorular. Cevapları almak için tasarım ve karar verme sürecinde yeterince fazla değiliz, ancak sorunları düşünen çok büyük ve başarılı iki fizikçi grubu var ve her biri yeni bir hızlandırıcı için bir teklif oluşturdu. Büyük ölçüde Avrupa araştırma grupları tarafından yönlendirilen tekliflerden biri, büyük olasılıkla Cenevre'nin hemen dışındaki CERN laboratuvarında bulunan büyük bir ek hızlandırıcı inşa ettiğini hayal ediyor.
Bir fikir altında, bir tesis bir elektron demeti ve antimadde elektronları ile çarpışacaktır. Hızlanan protonlar arasındaki elektronlara kıyasla farklılıklar nedeniyle - bir elektron ışını, dairesel yapı etrafında bir proton ışınından daha fazla enerji kaybeder - bu ışın 61 mil uzunluğundaki tüneli kullanır, ancak protonlardan daha düşük enerjide çalışır. Başka bir teklif, aynı 61 mil uzunluğundaki hızlandırıcıyı proton ışınlarıyla çarpıştırmak için kullanacaktı. Daha mütevazı bir teklif, mevcut LHC tünelini daha güçlü mıknatıslarla yeniden kullanacaktır. Bu seçenek, çarpışma enerjisini LHC'nin şu an yapabileceğinin üzerinde iki katına çıkaracaktı, ancak daha ucuz bir alternatif. Çinli araştırmacılar tarafından büyük ölçüde desteklenen bir başka teklif, muhtemelen Çin'de inşa edilen tamamen yeni bir tesis hayal ediyor. Bu hızlandırıcı da yaklaşık 61 mil civarında olacak ve yaklaşık 2040'ta proton-proton çarpışmalarına geçmeden önce elektron ve antimadde elektronlarını bir araya getirecekti.
Bu iki potansiyel proje halen konuşma aşamasında. Sonunda, bu teklifleri yapan bilim adamları, tasarıyı kabul etmek isteyen bir hükümet veya hükümet grubu bulmak zorunda kalacaklar. Ancak bu gerçekleşmeden önce, bilim adamlarının bu yeni tesisleri mümkün kılmak için gerekli yetenekleri ve teknolojileri belirlemeleri gerekiyor. Her iki grup da son zamanlarda tasarımları hakkında kapsamlı ve kapsamlı belgeler yayınladı. Bu, önerilen tesislerini inşa etmek için yeterli değildir, ancak hem gelecekteki laboratuvarların öngörülen performanslarını karşılaştırmak hem de güvenilir maliyet tahminlerini bir araya getirmeye başlamak için yeterince iyidir.
Bilgi sınırını araştırmak zor bir iştir ve bu büyüklükte bir tesis inşa etmenin ilk hayallerinden, operasyonlar yoluyla tesisin kapanmasına kadar uzun yıllar alabilir. LHC'deki ilk kirişin 10 yıllık yıldönümünü işaretlerken, tesisin neyi başardığını ve geleceğin ne getireceğini stoklamaya değer. Bana öyle geliyor ki, yeni nesil bilim insanlarının çalışacağı heyecan verici veriler olacak. Ve belki, sadece belki, doğanın büyüleyici sırlarından birkaç tane daha öğreneceğiz.
Don Lincoln bir fizik araştırmacısıdır. Fermilab'ın. O "Büyük Hadron Çarpıştırıcısı: Higgs Bozonunun Olağanüstü Hikayesi ve Aklınızı Uçuracak Diğer Şeyler"(Johns Hopkins University Press, 2014) ve bir dizi fen eğitimi üretiyor videolar. Onu takip et Facebook'ta. Bu yorumda ifade edilen görüşler ona aittir.
Don Lincoln bu yazıyı Live Science'ın Uzman Sesler: Op-Ed ve Analizler.
