Ne. Iako je snažna za akcelerator, energija postignuta u velikom hadronskom sudaraču (LHC) skromna je prema standardima prirode. Kozmičke zrake - čestice nastale događajima u svemiru - sudaraju se s česticama u Zemljinoj atmosferi pri mnogo većim energijama od onih LHC -a. Ovi kozmički zraci bombardiraju Zemljinu atmosferu, kao i druga astronomska tijela, od kada su ta tijela nastala, bez štetnih posljedica. Ove planete i zvijezde ostale su netaknute uprkos sudarima veće energije kroz milijarde godina. Što god LHC učini, priroda je već učinila mnogo puta tijekom života Zemlje i drugih astronomskih tijela. Kozmičke zrake LHC, poput ostalih akceleratora čestica, ponovno stvara prirodne pojave kozmičkih zraka u kontroliranim laboratorijskim uvjetima, omogućavajući im njihovo detaljnije proučavanje. Kosmičke zrake su čestice proizvedene u svemiru, od kojih se neke ubrzavaju na energije daleko veće od energije LHC -a. Energija i brzina kojom dosežu Zemljinu atmosferu mjerili su se u eksperimentima već oko 70 godina. U proteklih milijardama godina Priroda je na Zemlji već proizvela toliko sudara kao oko milijun LHC eksperimenata - a planet još uvijek postoji. Astronomi promatraju ogroman broj većih astronomskih tijela u svemiru, a sva su također pogođena kosmičkim zrakama. Univerzum u cjelini provodi više od 10 miliona miliona eksperimenata sličnih LHC-u u sekundi. Mogućnost opasnih posljedica u suprotnosti je s onim što astronomi vide - zvijezde i galaksije još uvijek postoje. Mikroskopske crne rupe "Glupo je smatrati da sudari čestica LHC pri visokim energijama mogu dovesti do opasnih crnih rupa. Takve su glasine širili nekvalificirani ljudi koji traže senzaciju ili publicitet." , Akademik Vitaly Ginzburg, nobelovac za fiziku, Institut Lebedev, Moskva i Ruska akademija nauka Priroda stvara crne rupe kada se određene zvijezde, mnogo veće od našeg Sunca, sruše na sebe na kraju svog života. Oni koncentriraju veliku količinu tvari na vrlo malom prostoru. Nagađanja o mikroskopskim crnim rupama u LHC -u odnose se na čestice nastale pri sudaru parova protona, od kojih svaki ima energiju usporedivu s energijom komarca u letu. Astronomske crne rupe su mnogo teže od svega što bi se moglo proizvesti u LHC-u. Prema dobro utvrđenim svojstvima gravitacije, opisanim Einsteinovom relativnošću, nemoguće je stvoriti mikroskopske crne rupe u LHC-u. Postoje, međutim, neke spekulativne teorije koje predviđaju proizvodnju takvih čestica u LHC -u. Sve te teorije predviđaju da će se te čestice odmah raspasti. Crne rupe, stoga, ne bi imale vremena za početak stvaranja taloga i izazivanje makroskopskih efekata. Iako teorija predviđa da se mikroskopske crne rupe brzo raspadaju, čak se i hipotetičke stabilne crne rupe mogu pokazati bezopasnima proučavanjem posljedica njihove proizvodnje kozmičkim zrakama. Dok se sudari na LHC-u razlikuju od sudara kosmičkih zraka s astronomskim tijelima poput Zemlje po tome što se nove čestice nastale u sudarima LHC-a kreću sporije od onih koje proizvode kozmički zraci, ipak se može dokazati njihova sigurnost. Konkretni razlozi za to ovise jesu li crne rupe električno nabijene ili neutralne. Očekivalo bi se da će mnoge stabilne crne rupe biti električno nabijene, budući da ih stvaraju nabijene čestice. U ovom slučaju oni bi stupili u interakciju s običnom materijom i zaustavili bi se dok putuju Zemljom ili Suncem, bilo da ih proizvode kozmički zraci ili LHC. Činjenica da su Zemlja i Sunce još uvijek ovdje isključuje mogućnost da bi kozmičke zrake ili LHC mogli proizvesti opasne nabijene mikroskopske crne rupe. Da stabilne mikroskopske crne rupe nemaju električni naboj, njihove interakcije sa Zemljom bile bi vrlo slabe. Oni koje proizvode kozmički zraci prošli bi bezopasno kroz Zemlju u svemir, dok bi oni koje proizvede LHC mogli ostati na Zemlji. Međutim, u svemiru postoje mnogo veća i gušća astronomska tijela od Zemlje. Crne rupe nastale pri sudaru kosmičkih zraka s tijelima kao što su neutronske zvijezde i zvijezde bijelih patuljaka bi se zaustavile. Nastavak postojanja tako gustih tijela, kao i Zemlje, isključuje mogućnost da LHC proizvodi opasne crne rupe. Strangelets je izraz koji se daje hipotetičkoj mikroskopskoj grudi "čudne materije" koja sadrži gotovo jednak broj čestica nazvanih, dolje i čudnih kvarkova. Prema većini teorijskih radova, čudnovate bi se mrlje trebale promijeniti u običnu materiju u roku od hiljadu milionitog dijela sekunde. No, mogu li se čudnjaci spojiti s običnom materijom i promijeniti je u čudnu materiju? Ovo pitanje je prvi put postavljeno prije pokretanja Relativističkog teškog jonskog sudarača (RHIC) 2000. godine u Sjedinjenim Državama. Tadašnje istraživanje pokazalo je da nema razloga za zabrinutost, a RHIC sada radi već osam godina, tragajući za čudnjacima, a da ih nije otkrio. Povremeno će LHC raditi s snopovima teških jezgara, baš kao što radi RHIC. LHC zraci će imati više energije od RHIC -a, ali to čini još manjom vjerovatnoću da bi se mogle stvoriti čudne mrlje. Teško je da se čudna materija drži zajedno na visokim temperaturama koje stvaraju takvi sudari, jer se led ne stvara u vrućoj vodi. Osim toga, kvarkovi će biti više razrijeđeni u LHC -u nego u RHIC -u, što će otežati sastavljanje čudne materije. Proizvodnja čudnovatih škriljaca u LHC -u stoga je manje vjerojatna nego u RHIC -u, a iskustvo je već potvrdilo argumente da se čudnovi ne mogu proizvesti. Analiza prvih podataka LHC -a iz sudara teških iona sada je potvrdila ključne sastojke korištene u izvješću LSAG -a za procijeniti gornju granicu proizvodnje hipotetičkih čudaka. Za više detalja pogledajte ovaj dodatak LSAG izvještaju: Implikacije LHC podataka o teškim ionima za proizvodnju više čudnih bariona (2011) Vakuumski mjehurići Postoje spekulacije da Univerzum nije u svojoj najstabilnijoj konfiguraciji i da bi ga poremećaji uzrokovani LHC -om mogli dovesti u stabilnije stanje, nazvano vakuumski mjehurić, u kojem ne bismo mogli postojati. Ako je LHC to mogao učiniti, mogli bi i sudari kosmičkih zraka. Budući da takvi vakuumski mjehurići nisu proizvedeni nigdje u vidljivom univerzumu, neće ih napraviti LHC. Magnetski monopoli Magnetski monopoli su hipotetičke čestice s jednim magnetskim nabojem, bilo sjevernim ili južnim polom. Neke spekulativne teorije sugeriraju da, ako postoje, magnetski monopoli mogu uzrokovati raspad protona. Ove teorije također govore da bi takvi monopoli bili preteški za proizvodnju u LHC -u. Ipak, da su magnetski monopoli dovoljno lagani da se pojave na LHC -u, kozmički zraci koji udaraju u Zemljinu atmosferu već bi ih stvorili, a Zemlja bi ih vrlo efikasno zaustavila i zarobila. Kontinuirano postojanje Zemlje i drugih astronomskih tijela stoga isključuje opasne magnetske monopole koji jedu protone koji su dovoljno svjetli da se mogu proizvesti u LHC-u. Ostalo vezano za sigurnost u CERN - u Nedavno je izražena zabrinutost da bi se na odlagalištu ugljikovog snopa LHC mogla stvoriti 'reakcija fuzije'. Sigurnost odlagališta snopa LHC -a prethodno su pregledala nadležna regulatorna tijela država domaćina CERN -a, Francuske i Švicarske. Posebne zabrinutosti izražene u posljednje vrijeme su riješene u tehničkom memorandumu od strane Assmann et al. Kako ističu, reakcije fuzije mogu se održati samo u materijalu komprimiranom nekim vanjskim pritiskom, poput onog koji stvara gravitacija unutar zvijezde, eksplozija fisije u termonuklearnom uređaju, magnetsko polje u Tokamaku ili kontinuiranim izotropnim laserom ili grede čestica u slučaju inercijalne fuzije. U slučaju deponije snopa LHC, snop dolazi iz jednog smjera jednom. Ne postoji protutežni tlak, pa se otpadni materijal ne komprimira i nije moguće fuzija. Izražena je zabrinutost da bi se u spremniku dušika unutar LHC tunela mogla stvoriti 'reakcija fuzije'. Ne postoje takvi spremnici dušika. Štaviše, argumenti u prethodnom paragrafu dokazuju da nikakva fuzija ne bi bila moguća čak i da postoji. Konačno, također je izražena zabrinutost da bi LHC snop mogao nekako pokrenuti 'Bose-Nova' u tekućem helijumu koji se koristi za hlađenje LHC magneta. Studija Fairbairna i McElratha jasno je pokazala da ne postoji mogućnost da LHC snop izazove fuzijsku reakciju u helijumu. Podsjećamo da je poznato da su 'Bose-Novae' povezane s kemijskim reakcijama koje oslobađaju beskonačno malu količinu energije prema nuklearnim standardima. Podsjećamo također da je helij jedan od najstabilnijih poznatih elemenata, te da je tekući helij bez greške korišten u mnogim prethodnim akceleratorima čestica. Činjenice da je helij kemijski inertan i da nema nuklearnog spina impliciraju da se nikakav 'Bose-Nova' ne može aktivirati u superfluidnom helijumu koji se koristi u LHC-u. Izvor: https://home.cern/science/accelerators/large-hadron-collider/safety-lhc
Category Archives: Fizika elementarnih čestica
Je li standardni model fizike sada slomljen? – Sabine Hossenfelder
Takozvana anomalija muona, prvi put viđena u eksperimentu u Brookhaven National Laboratory 2001. godine, nije pomaknula s mjesta. Tokom 20 godina, ovaj lagani nesklad između izračunate vrijednosti magnetskog momenta muona i eksperimentalno određenog, zadržao se na značaju od oko 3,7 sigme. To je nivo pouzdanosti od 99,98 posto, ili otprilike jedna prema 4.500 šansi da je odstupanje slučajna fluktuacija. Upravo objavljenim rezultatima eksperimenta Muon g-2 iz Nacionalne laboratorije Fermi u Bataviji, Ilinois, značaj je povećan na 4,2 sigma. To je nivo pouzdanosti od oko 99,997 posto, ili otprilike jedna od 40 000 šansi da opaženo odstupanje bude slučajnost. Samo po sebi, novo mjerenje Fermilaba ima značaj samo 3,3 sigme, ali budući da reproducira raniji nalaz iz Brookhavena, kombinirani značaj porastao je na 4,2 sigme. Ipak, to je ispod praga otkrivanja fizičara čestica od pet sigma.
Rezultat je dugo očekivan zbog njegove mogućnosti da konačno razbije Standardni model fizike čestica, zbirku do sada poznatih temeljnih sastojaka materije koji postoji oko 50 godina. Ovaj model trenutno sadrži nekoliko tuceta čestica, ali većina ih je nestabilna i stoga ih nije moguće pronaći samo promatranjem materije koja nas obično okružuje. Nestabilne čestice su, međutim, prirodno proizvedene u visokoenergetskim događajima, na primjer kada kosmički zraci udaraju u gornji sloj atmosfere. Izrađuju se i u sudarima čestica stvorenih u laboratoriju, poput onih koji se koriste u Fermilabovim eksperimentima za mjerenje magnetskog momenta miona.
Muon je bila jedna od prvih nestabilnih čestica koja je poznata, a njegovo otkriće datira iz 1936. godine. Teža je verzija elektrona, a poput potonje čestice i električno je nabijena. Životni vijek miona je oko dvije mikrosekunde. Za fizičare čestica to je dugo, zbog čega se čestica pridaje preciznim mjerenjima. Munski magnetni moment određuje koliko brzo rotacija osi čestice kruži oko linija magnetskog polja. Da bi ga izmjerili na Fermilabu, fizičari stvaraju muone i snažnim magnetima ih drže u krugu promjera oko 15 metara. Mioni se na kraju raspadaju, a iz raspodjele produkata raspada može se zaključiti njihov magnetski moment.
Rezultat se obično navodi kao “g-2”, gdje je “g” magnetski moment. “2” je uključen jer je vrijednost blizu dva – a u odstupanjima od dva kvantni su doprinosi koji su fizičari interesantni. Ti doprinosi dolaze iz fluktuacija vakuuma koji sadrže sve čestice, iako u virtualnom obliku: pojavljuju se samo nakratko prije nego što ponovo nestane. To znači da ako ima više čestica od onih u Standardnom modelu, one bi trebale doprinijeti muonu g-2 – otuda i njegova važnost. Stoga bi odstupanje od predviđanja Standardnog modela moglo značiti da postoji više čestica od onih koje su trenutno poznate – ili da postoji neka druga nova fizika, poput dodatnih dimenzija prostora.
Pa kako da procijenimo nesklad od 4,2 sigme između predviđanja Standardnog modela i novog mjerenja? Prije svega, korisno je sjetiti se razloga zbog kojeg fizičari čestica za početak koriste standard od pet sigma. Razlog nije toliko u tome što je fizika čestica nekako suštinski preciznija od ostalih područja znanosti ili što su fizičari čestica toliko bolji u obavljanju eksperimenata. Prvenstveno je to što fizičari čestica imaju puno podataka. I što više podataka imate, veća je vjerojatnost da ćete pronaći slučajne fluktuacije koje slučajno izgledaju poput signala. Fizičari čestica počeli su uobičajeno koristiti kriterij pet sigma sredinom 1990-ih kako bi se spasili od sramote zbog previše „otkrića“ koja su se kasnije ispostavila kao puka statistička fluktuacija.
Ali naravno, pet sigma je potpuno proizvoljan rez, a fizičari čestica također raspravljaju o anomalijama znatno ispod te granice. Zaista, tijekom godina došlo je i nestalo podosta anomalija od tri i četiri sigme. Na primjer, Higgsov bozon je već bio „otkriven“ 1996. godine, kada se signal od oko četiri sigme pojavio na Velikom elektronsko-pozitronskom sudaraču (LEP) u CERN-u blizu Ženeve – a zatim je ponovo nestao. (Higgsa je 2012. godine definitivno otkrio LEP-ov nasljednik, Veliki hadronski sudarač ili LHC.) Također 1996. pronađene su supstrakture kvarkova na oko tri sigme. I one su nestale.
Godine 2003. znaci supersimetrije – pretpostavljeno proširenje Standardnog modela koje uvodi nove čestice – viđeni su na LEP-u, takođe oko tri sigme. Ali ubrzo su nestali. Na LHC-u 2015. godine vidjeli smo anomaliju difotona koja se zadržala oko četiri sigme prije nego što je nestala. Bilo je i nekih zapanjujućih otkrića od šest sigma koja nisu potvrđena, poput “super-mlaznjaka” iz 1998. godine na Fermilabovom Tevatronu (čak i sada niko zapravo ne zna šta su bili) ili viđenja pentakvarka 2004. godine na akceleratoru HERA u Njemačkoj (pentakvarkovi zapravo nisu otkriveni do 2015).
Ova povijest trebala bi vam pomoći da procijenite koliko ozbiljno trebate shvatiti bilo koju tvrdnju iz fizike čestica sa statističkom značajnošću od 4,2 sigma. Ali naravno, anomalija g-2 ide u prilog činjenici da je njen značaj postao jači, a ne slabiji.
Šta znači postojanost anomalije? Eksperimenti visoke preciznosti na niskoj energiji, poput ovog, dopunjuju eksperimente visoke energije. Oni mogu pružiti slične informacije jer su, u principu, svi doprinosi visokih energija prisutni i kod niskih energija. Samo što su vrlo mali – govorimo o neskladu između eksperimenta i teorije na 11. znamenci nakon decimalne točke.
U praksi to znači da proračuni za predviđanja moraju tačno uzeti u obzir puno sitnih doprinosa da bi se postigla potrebna preciznost. U fizici čestica, ovi proračuni se rade pomoću Feynmanovih dijagrama – malih grafika s čvorovima i vezama koji označavaju čestice i njihove interakcije. Oni su matematički alat za praćenje kojih se integrala mora izračunati.
Ovi proračuni se uključuju u veću preciznost, jer ima više i većih dijagrama. Za muon g-2 fizičari su morali izračunati više od 15.000 dijagrama. Iako računari uvelike pomažu u zadatku, ovi proračuni ostaju prilično izazovni. Posebna glavobolja je hadronski doprinos. Adroni su kompozitne čestice izrađene od nekoliko kvarkova koje gluoni drže zajedno. Izračun ovih hadronskih doprinosa vrijednosti g-2 notorno je težak, a trenutno je najveći izvor pogrešaka na teoretskoj strani. Postoje naravno i različita unakrsna mjerenja koja igraju ulogu, poput predviđanja koja ovise o vrijednostima drugih konstanti, uključujući mase leptona i konstante sprezanja.
Prema tome, nesklad bi mogao prilično svakodnevno značiti da nešto nije u redu s izračunatim Standardnim modelom s hadronskim doprinosima. Ali postoji i mogućnost da se nedostatak krije u samom Standardnom modelu, a ne u našoj kalkulaciji. Možda neslaganje dolazi od novih čestica – supersimetrične čestice su najpopularniji kandidati. Problem s ovim objašnjenjem je da supersimetrija nije model – već je svojstvo velikog broja modela, a različiti modeli iz te veće cjeline daju različita predviđanja. Između ostalog, doprinos g-2 ovisi o masi hipotetičkih supersimetričnih čestica, koje su nepoznate. Tako da je za sada nemoguće posebno pripisati nesklad supersimetriji.
Fermilabovo novo visoko precizno mjerenje magnetskog momenta izuzetno je eksperimentalno postignuće. Ali prerano je da Standardni model proglasimo slomljenim.
Izvor: https://www.scientificamerican.com/article/is-the-standard-model-of-physics-now-broken/
Nekoliko desetljeća duga potraga otkriva nove detalje antimaterije
Prije dvadeset godina fizičari su počeli istraživati misterioznu asimetriju unutar protona. Njihovi rezultati pokazuju kako antimaterija pomaže stabiliziranju jezgre svakog atoma.
Često se ne spominje da su protoni, pozitivno nabijene čestice materije u središtu atoma, dio antimaterije.
U školi učimo da je proton snop od tri osnovne čestice koje se nazivaju kvarkovi – dva “gore” i “donji” kvark, čiji električni naboji (+2/3 i −1/3, zajedno) daju protonu naboj od +1. Ali ta pojednostavljena slika prekriva daleko nepoznatu, još nerazjašnjenu priču.
U stvarnosti, unutrašnjost protona kovitla se s fluktuirajućim brojem šest vrsta kvarkova, njihovi suprotno nabijeni kolege antimaterije (antikvarkovi) i “gluonske” čestice koje vežu ostale, pretvaraju se u njih i lako se množe.
Nekako se kovitlani vrtlog završava savršeno stabilno i površno jednostavno – oponašajući, u određenim aspektima, trio kvarkova. “Kako to sve funkcionira, to je sasvim iskreno čudo”, rekao je Donald Geesaman, nuklearni fizičar iz Nacionalne laboratorije Argonne u Ilinoisu.
Prije trideset godina istraživači su otkrili zapanjujuću osobinu ovog „protonskog mora“. Teoretičari su očekivali da sadrži ravnomjerno širenje različitih vrsta antimaterije; umjesto toga, činilo se da donji antikvarkovi znatno premašuju antikvarkove. Zatim, desetljeće kasnije, druga je skupina vidjela nagovještavajuće varijacije u omjeru antikvarkova prema dolje. Ali rezultati su bili na ivici osjetljivosti eksperimenta.
Tako su prije 20 godina Geesaman i njegov kolega Paul Reimer započeli novi eksperiment koji će istražiti. Taj eksperiment, nazvan SeaQuest, konačno je završen, a istraživači izvještavaju o svojim nalazima u časopisu Nature. Izmjerili su unutarnju antimateriju protona detaljnije nego ikad prije, utvrdivši da u prosjeku postoji 1,4 donjih antikvarka za svaki gornji antikvark.
Podaci odmah favoriziraju dva teorijska modela protonskog mora. “Ovo je prvi stvarni dokaz koji podupire one modele koji su izašli”, rekao je Reimer.
Jedan je model “oblaka piona”, popularan, desetljećima star pristup koji naglašava tendenciju protona da emitira i reapsorbira čestice zvane pioni, koje pripadaju grupi čestica poznatih kao mezoni. Drugi model, takozvani statistički model, proton tretira kao posudu punu plina.
Planirani budući eksperimenti pomoći će istraživačima da biraju između dvije slike. No, koji god model bio u pravu, SeaQuest-ovi čvrsti podaci o unutarnjoj antimateriji protona bit će odmah korisni, posebno za fizičare koji zajedno razbijaju protone gotovo brzinom svjetlosti u velikom hadronskom sudaraču u Europi.
Kad tačno znaju šta se nalazi u objektima koji se sudaraju, mogu bolje probiti ostatke sudara tražeći dokaze o novim česticama ili efektima. Juan Rojo sa Univerziteta VU Amsterdam, koji pomaže u analizi LHC podataka, rekao je da bi mjerenje SeaQuesta “moglo imati veliki utjecaj” na potragu za novom fizikom, koja je trenutno ograničena našim znanjem o strukturi protona, posebno o sadržaju antimaterije. ”
Kratko vrijeme prije otprilike pola stoljeća, fizičari su mislili da su sortirali proton.
Murray Gell-Mann i George Zweig neovisno su predložili ono što je postalo poznato kao model kvarka – ideju da su protoni, neutroni i srodnije rjeđe čestice snopovi od tri kvarka (kako ih je Gell-Mann nazvao), dok su pioni i drugi mezoni napravljen od jednog kvarka i jednog antikvarka. Shema je osmislila kakofoniju čestica koje prskaju iz visokoenergetskih akceleratora čestica, jer bi se njihov spektar naboja mogao konstruirati iz dvodijelnih i trodijelnih kombinacija. Tada, oko 1970. godine, činilo se da istraživači na Stanfordovom akceleratoru SLAC trijumfalno potvrđuju model kvarka kada su pucali u elektrone velike brzine u protone i vidjeli kako se elektroni raspršuju iz predmeta u njima.
Ali slika je ubrzo postala mutnija. “Kako smo počeli pokušavati mjeriti svojstva ta tri kvarka sve više i više, otkrili smo da se događaju neke dodatne stvari”, rekao je Chuck Brown, 80-godišnji član SeaQuest tima iz Fermi National Accelerator Laboratory koji je radio na eksperimentima na kvarkovima od 1970-ih.
Ispitivanje impulsa tri kvarka ukazalo je da su njihove mase činile manji dio ukupne mase protona. Štaviše, kada je SLAC pucao bržim elektronima na protone, istraživači su vidjeli kako elektroni odlaze iz više stvari iznutra. Što su elektroni brži, to su im valne duljine kraće, što ih je činilo osjetljivima na sitnije zrnate karakteristike protona, kao da su povećali razlučivost mikroskopa. Otkrivano je sve više unutrašnjih čestica, naizgled bez ograničenja. Ne postoji najviša rezolucija, “za koju znamo”, rekao je Geesaman.
Rezultati su počeli imati više smisla kad su fizičari razvili istinsku teoriju kojoj se kvarkovski model samo približava: kvantna hromodinamika ili QCD. Formuliran 1973. godine, QCD opisuje „snažnu silu“, najjaču silu prirode, u kojoj čestice zvane gluoni povezuju snopove kvarkova.
QCD predviđa sam vrtlog koji su primijetili eksperimenti rasipanja. Komplikacije nastaju jer gluoni osjećaju samu silu koju nose. (Oni se na taj način razlikuju od fotona koji nose jednostavniju elektromagnetsku silu.) Ovo samo-bavljenje stvara močvaru unutar protona, dajući gluonima slobodu da nastanu, razmnože se i podijele u kratkotrajne parove kvark-antikvark. Iz daleka se ovi usko raspoređeni, suprotno nabijeni kvarkovi i antikvarkovi poništavaju i ostaju neprimijećeni. (Samo tri neuravnotežena “valentna” kvarka – dva uspona i pad – doprinose ukupnom naboju protona.) Ali fizičari su shvatili da kada pucaju u brže elektrone, pogađaju male ciljeve.
Samorazumljivi gluoni čine QCD jednadžbe općenito nerješivima, tako da fizičari nisu mogli – i još uvijek ne mogu – izračunati precizna predviđanja teorije. Ali nisu imali razloga misliti da bi se gluoni trebali češće dijeliti na jednu vrstu kvark-antikvarkovski par – tip dolje – od druge. “Očekivali bismo da će se proizvesti jednake količine oba”, rekla je Mary Alberg, teoretičarka nuklearnog materijala sa Univerziteta u Seattlu, objašnjavajući tadašnje obrazloženje.
Otuda i šok kada su 1991. godine New Muon Collaboration u Ženevi raštrkali mione, težu braću i sestre elektrona, izvan protona i deuterona (koji se sastoje od jednog protona i jednog neutrona), uspoređujući rezultate i zaključujući da je više donjih antikvarkova nego gore. Činilo se da se antikvarkovi prskaju u protonskom moru.
Teoretičari su ubrzo iznašli niz mogućih načina da objasne asimetriju protona.
Jedan uključuje piona. Od četrdesetih godina prošlog stoljeća fizičari su vidjeli protone i neutrone kako prolaze pionijima naprijed-natrag unutar atomskih jezgri poput suigrača koji međusobno bacaju košarkaške lopte, aktivnost koja pomaže u njihovom povezivanju. Razmišljajući o protonu, istraživači su shvatili da on također može baciti košarkašku loptu sebi – to jest, može nakratko emitirati i reapsorbirati pozitivno nabijeni pion, pretvarajući se u međuvremenu u neutron. “Ako izvodite eksperiment i mislite da gledate proton, zavaravate se, jer će dio vremena taj proton fluktuirati u ovaj par neutron-pion”, rekao je Alberg.
Konkretno, proton se pretvara u neutron i pion izrađen od jednog gornjeg i jednog donjeg antikvarka. Budući da ovaj fantazmalni pion ima donji antikvark (pion koji sadrži gornji antikvark ne može se tako lako materijalizirati), teoretičari poput Alberga, Geralda Millera i Tonyja Thomasa tvrdili su da ideja oblaka piona objašnjava izmjereni protonski višak protona.
Pojavilo se i nekoliko drugih argumenata. Claude Bourrely i suradnici u Francuskoj razvili su statistički model koji tretira unutarnje čestice protona kao da su molekule plina u sobi, šibajući se distribucijom brzina koje ovise o tome imaju li cjeloviti ili polucjelobrojni kutni moment . Kada je podešen kako bi odgovarao podacima iz brojnih eksperimenata raspršivanja, model je protumačio višak antikvarkova.
Modeli nisu dali identična predviđanja. Velik dio ukupne mase protona dolazi iz energije pojedinih čestica koje pucaju u i izvan protonskog mora, a te čestice nose niz energija. Modeli su napravili različita predviđanja o tome kako bi se trebao mijenjati omjer antikvarkova prema dolje i prema gore dok računate antikvarkove koji nose više energije. Fizičari mjere povezanu veličinu koja se naziva udio zamaha antikvarka.
Kada je eksperiment “NuSea” u Fermilabu izmjerio omjer smanjenja i povećanja kao funkciju zamaha antikvaraka 1999. godine, njihov je odgovor “samo osvijetlio sve”, prisjetio se Alberg. Podaci sugeriraju da su antikvarkovi s obimnim zamahom – zapravo toliko da su bili na kraju dometa detekcije aparata – odjednom antikvarkovi postali više zastupljeni nego padovi. “Svaki je teoretičar govorio:” Čekaj malo “, rekao je Alberg. “Zašto bi se, kad ti antikvarkovi dobiju veći udio u zamahu, ova krivulja počela preokretati?”
Dok su se teoretičari češali po glavi, Geesaman i Reimer, koji su radili na NuSei i znali su da podaci na rubu ponekad nisu pouzdani, krenuli su u izgradnju eksperimenta koji bi mogao komotno istražiti veći raspon zamaha antikvarka. Nazvali su ga SeaQuest.
U eksperimentu protoni pogađaju dvije mete: bočicu vodika, koja je u osnovi skupina protona, i bočicu deuterija – atoma s jednim protonom i jednim neutronom u jezgri.
Kad proton pogodi bilo koju metu, jedan od njegovih valentnih kvarkova ponekad se uništi s jednim od antikvarkova u ciljanom protonu ili neutronu.
“Kad se dogodi uništenje, to ima jedinstveni potpis”, rekao je Reimer, dajući mion i antimun. Te se čestice, zajedno s ostalim “smećem” nastalim u sudaru, tada susreću sa onim starim željeznim pločama. „Mioni mogu proći; sve ostalo prestaje ”, rekao je. Otkrivanjem miona s druge strane i rekonstrukcijom njihovih izvornih putova i brzina, “možete raditi unatrag da biste utvrdili koliki zamah nose antikvarkovi.”
Budući da se protoni i neutroni međusobno zrcale – svaki ima čestice gornjeg tipa umjesto čestica drugog tipa dolje, i obrnuto – usporedba podataka iz dvije bočice izravno ukazuje na odnos donjih antikvarkova prema gore antikvarkovima u protonu – izravno , odnosno nakon 20 godina rada.
Novi podaci – koji pokazuju postupno rastući, zatim izravnavajući, omjer prema dolje, a ne nagli preokret – također se slažu s fleksibilnijim statističkim modelom tvrtke Bourrely i tvrtke. Ipak, Miller ovaj suparnički model naziva “opisnim, a ne prediktivnim”, jer je podešen da stane u podatke, a ne da identificira fizički mehanizam koji stoji iza donjeg antikvarka.
Suprotno tome, “ono na što sam zaista ponosan u našem izračunu je da je to bilo istinsko predviđanje”, rekao je Alberg. “Nismo birali nijedan parametar.”
U e-pošti Bourrely je tvrdio da je “statistički model snažniji od onog Alberga i Millera”, budući da uzima u obzir eksperimente rasipanja u kojima čestice jesu i nisu polarizirane.
Miller se žestoko nije složio, napominjući da pionski oblaci ne objašnjavaju samo sadržaj antimaterije u protonu, već magnetske trenutke različitih čestica, raspodjelu naboja i vrijeme raspadanja, kao i “vezivanje, a time i postojanje svih jezgri”. Dodao je da je pionski mehanizam “važan u širem smislu zašto jezgre postoje, zašto mi postojimo”.
U krajnjoj potrazi za razumijevanjem protona, odlučujući čimbenik može biti njegov spin ili unutarnji kutni zamah. Eksperiment s raspršivanjem miona krajem 1980-ih pokazao je da spinovi tri valentna kvarka protona čine ne više od 30 posto ukupnog spinova protona. “Kriza rotacije protona” je: Što doprinosi ostalih 70 posto?
Još jednom, rekao je Brown, starac Fermilaba, “mora se nešto drugo događati.”
U Fermilabu, a na kraju i u planiranom Electron-Ion Collideru Nacionalnog laboratorija Brookhaven, eksperimentatori će ispitivati okretanje protonskog mora. Već Alberg i Miller rade na proračunima punog protona “oblaka mezona” koji okružuje protone, što uključuje, zajedno s pionima, rjeđe “rho mezone”.
Pioni ne posjeduju spin, ali rho-mezoni, pa moraju doprinijeti ukupnom vrtnju protona na način na koji će se Alberg i Miller nadati.
Fermilabov eksperiment SpinQuest, koji uključuje mnoge iste ljude i dijelove kao i SeaQuest, “gotovo je spreman za rad”, rekao je Brown. „Srećom uzet ćemo podatke ovog proljeća; ovisit će “- barem djelomično -” o napretku vakcine protiv virusa.
Zabavno je što pitanje koje je tako duboko i nejasno unutar jezgre ovisi o odgovoru ove zemlje na virus Covid. Svi smo međusobno povezani, zar ne? “
Izvor : Wired
Šta su elementarne čestice i koliko ih ima?
Elementarna čestica je subatomska čestica i odlikuje se najvećim stupenom elementarnosti. Temeljnost novootkrivenih subatomskih čestica ovisi o tom imaju li strukturu, mogu li se sastaviti od već postojećih čestica ili se mogu svesti na već poznate čestice. Prema standardnom modelu čestica smatra se da 12 temeljnih čestica izgrađuje svu tvar u svemiru: leptoni (elektron, mion, tauon i njima pripadajući neutrini) i kvarkovi. Prijenosnici međudjelovanja između čestica tvari su bozoni: fotoni, gluoni, W-bozoni, Z-bozoni i Higgsovi bozoni.
Kvarkovi i leptoni su raspoređeni u parove koji čine tri naraštaja (generacije):
- elektron (e) i njegov neutrino νe te gornji (u) i donji (d) kvark;
- mion (μ) i njegov neutrino νμ te čarobni ili šarmantni (c) kvark i strani ili čudni (s) kvark;
- tauon (τ) i njegov neutrino ντ te dubinski (b) kvark ili kvark ljepote i vršni (t) kvark ili kvark istine.
Sva je tvar građena od lakih temeljnih čestica prvoga naraštaja, dok se teži kvarkovi pronalaze u sudarima u ubrzivačima čestica ili kozmičkom zračenju. Te čestice nose naboje koji su izvori temeljnih sila (fundamentalne interakcije) i u tom je glavno značenje njihove temeljnosti. Danas su te sile opisane standardnom teorijom čestica i sila.
Elementarne, temeljne čestice ili subatomske čestice su u fizici čestice koje nemaju unutarnju strukturu, to jest nisu građene od manjih čestica. Prema modernoj teoriji fizike elementarnih čestica (standardni model), elementarne su čestice kvarkovi, leptoni i baždarni bozoni. Prema tome, imamo sljedeće elementarne čestice sa svojim antičesticama:
fermioni:
kvarkovi – gornji kvark, gornji antikvark,donji kvark, donji antikvark, čarobni kvark, čarobni antikvark, strani kvark, strani antikvark, vršni kvark, vršni antikvark, dubinski kvark, dubinski antikvark;
leptoni – elektron, pozitron, mion, antimion, tauon, antitauon, elektronski neutrino, elektronski antineutrino, mionski neutrino, mionski antineutrino, tau neutrino, antitau neutrino;
bozoni:
baždarni bozoni – foton, gluon, W i Z bozoni:
ostali bozoni – Higgsov bozon, graviton.
Prema starijoj teoriji, koja nije poznavala kvarkove i dok nije bila potpuno poznata struktura atoma, elementarne su čestice bili i hadroni (barioni kao što su proton i neutron, te mezoni).
Istraživači su napravili akcelerator čestica koji može stati u čip
Naučnici su prvi put stvorili silikonski čip koji može ubrzati elektrone – iako s djelićem brzine najmasivnijih akceleratora – koristeći infracrveni laser.
Na brežuljku iznad Univerziteta Stanford, Nacionalna laboratorija za ubrzanje rada SLAC upravlja naučnim instrumentom dugačkim gotovo 2 kilometra. U ovom gigantskom akceleratoru, tok elektrona teče kroz vakuumsku cijev, dok eksplozije mikrovalnog zračenja guraju čestice sve brže naprijed dok se njihova brzina ne približi brzini svjetlosti, stvarajući snažnu zraku koju naučnici iz cijelog svijeta koriste za ispitivanje atomske i molekularne strukture anorganskih i bioloških materijala.
Sada su prvi put naučnici na Stanfordu i SLAC stvorili silikonski čip koji može ubrzati elektrone – iako s delićem brzine tog ogromnog instrumenta.
U međuvremenu, u iščekivanju razvoja 1MeV akceleratora na čipu, inženjer elektrotehnike Olav Solgaard, koautor članka, već je započeo rad na mogućoj aplikaciji za borbu protiv raka. Danas se visoko energizirani elektroni ne koriste za radioterapiju jer bi spaljivali kožu. Solgaard radi na način da kanalizira visokoenergetske elektrone sa akceleratora veličine čipa kroz vakuumsku cijev sličnu kateteru koja bi se mogla umetnuti ispod kože, odmah pored tumora, koristeći zraku čestica za kirurško upravljanje terapijom zračenja.
“Medicinska korist može biti iz minijaturizacije tehnologije ubrzivača pored istraživačkih aplikacija”, rekao je Solgaard.
Izvor: https://www.sciencedaily.com/releases/2020/01/200102143352.htm
Dragulj u srcu kvantne fizike
Fizičari su otkrili geometrijski objekt u obliku dragulja koji dovodi u pitanje ideju da su prostor i vrijeme temeljni sastojci prirode.
Umjetnički prikaz amplituhedrona, novootkrivenog matematičkog objekta nalik na višestruki dragulj u višim dimenzijama.
Fizičari su otkrili geometrijski objekt nalik dragulju koji dramatično pojednostavljuje izračunavanje interakcija čestica i dovodi u pitanje ideju da su prostor i vrijeme temeljne komponente stvarnosti.
“Ovo je potpuno novo i mnogo jednostavnije od bilo čega što je učinjeno prije”, rekao je Andrew Hodges, matematički fizičar sa Sveučilišta Oxford koji je pratio rad.
Otkrivenje da interakcije čestica, najosnovniji događaji u prirodi, mogu biti posljedice geometrije, znatno unapređuju desetljeća duga nastojanja da preformuliraju kvantnu teoriju polja, tijelo zakona koji opisuje elementarne čestice i njihove interakcije. Interakcije koje su prethodno izračunate s matematičkim formulama hiljadama linija dugim, sada se mogu opisati izračunavanjem volumena odgovarajućeg “amplituhedrona” u obliku dragulja, koji daje ekvivalentan izraz od samo jednog termina.
“Stupanj učinkovitosti je nevjerojatan”, rekao je Jacob Bourjaily, teoretski fizičar sa Sveučilišta Harvard i jedan od istraživača koji su razvili novu ideju. “Na papiru možete lako napraviti računanje koje je bilo nemoguće i prije s računalom.”
Nova geometrijska verzija kvantne teorije polja mogla bi također olakšati potragu za teorijom kvantne gravitacije koja bi neprimjetno povezivala velike i male slike svemira. Pokušaji da se gravitacija uključi u zakone fizike na kvantnom mjerilu naletjeli su na besmislene beskonačnosti i duboke paradokse. Amplituhedron, ili sličan geometrijski objekt, mogao bi pomoći uklanjanjem dva duboko ukorijenjena načela fizike: lokalitet i unitarnost.
“Oboje su teško ožičeni na uobičajeni način na koji razmišljamo o stvarima”, rekao je Nima Arkani-Hamed, profesor fizike na Institutu za napredne studije u Princetonu, NJ, i glavni autor novog rada, koji predstavlja u razgovorima i u predstojećem radu. “Oba su sumnjiva.”
Lokalnost je pojam da čestice mogu komunicirati samo sa susjednih položaja u prostoru i vremenu. A unitarnost drži da vjerojatnosti svih mogućih ishoda kvantno-mehaničke interakcije moraju biti veće. Koncepti su središnji stupovi kvantne teorije polja u svom izvornom obliku, ali u određenim situacijama koje uključuju gravitaciju, obje se raspadaju, što sugerira da niti jedan nije temeljni aspekt prirode.
U skladu s tom idejom, novi geometrijski pristup interakcijama čestica uklanja lokalitet i jedinstvo iz svojih polaznih pretpostavki. Amplituhedron nije izgrađen iz prostora-vremena i vjerojatnosti; ta svojstva nastaju kao posljedica geometrije dragulja. Uobičajena slika prostora i vremena, kao i čestice koje se kreću u njima, je konstrukt.
“To je bolja formulacija koja vas navodi na razmišljanje o svemu na potpuno drugačiji način”, rekao je David Skinner, teoretski fizičar sa Sveučilišta Cambridge.
Sam amplituhedron ne opisuje gravitaciju. Ali Arkani-Hamed i njegovi suradnici misle da bi to mogao biti srodni geometrijski objekt. Njegova bi svojstva razjasnila zašto se čini da čestice postoje i zašto se čini da se kreću u tri dimenzije prostora i da se mijenjaju tijekom vremena.
Budući da “znamo da u konačnici trebamo pronaći teoriju koja nema “jedinstvo i lokalitet “, rekao je Bourjaily,” to je polazna točka u konačnom opisu kvantne teorije gravitacije. ”
Amplituhedron izgleda kao zamršen, višestruki dragulj u višim dimenzijama. Kodirani u svom volumenu su najosnovnije značajke stvarnosti koje se mogu izračunati, “amplitude raspršenja”, koje predstavljaju vjerojatnost da će se određeni skup čestica nakon sudara pretvoriti u određene druge čestice. Ovi brojevi su ono što fizičari čestica izračunavaju i testiraju na visoku preciznost na akceleratorima čestica kao što je Large Hadron Collider u Švicarskoj.
60-godišnja metoda za izračunavanje amplituda raspršenja – što je bila velika inovacija u to vrijeme – stvorena je od pionir fizičara Richarda Feynmana, dobitnika Nobelove nagrade. Skicirao je crteže svih načina na koje se može dogoditi proces rasipanja, a zatim sumirao vjerovatnoće različitih crteža. Najjednostavniji Feynman-ovi dijagrami izgledaju kao drveće: Čestice uključene u sudar dolaze zajedno kao korijeni, a čestice koje nastaju ispaljuju se kao grane. Komplikovaniji dijagrami imaju petlje, gde se čestice sudara pretvaraju u nevidljive „virtuelne čestice“ koje međusobno komuniciraju prije nego što se razbiju kao pravi konačni proizvodi. Postoje dijagrami sa jednom petljom, dvije petlje, tri petlje i tako dalje – sve baroknije iteracije procesa rasipanja koje postepeno doprinose njegovoj ukupnoj amplitudi. Virtuelne čestice se nikada ne posmatraju u prirodi, ali se smatraju matematički neophodnim za unitarnost – zahtjev da se vjerovatnoće saberu u jedan.
Za daljnje čitanje posjetite:
https://www.quantamagazine.org/physicists-discover-geometry-underlying-particle-physics-20130917/
Elektronski “životni vijek” je najmanje pet kvintiliona puta starost svemira
Osnovna fizika sugerira da su elektroni u biti besmrtni. Fascinantan eksperiment nedavno nije uspio zbaciti ovu temeljnu pretpostavku. Ali napor je proizveo revidirani minimalni životni vijek za elektrone: 60.000 yotta godina, što je – oko pet-kvintiliona puta sadašnje doba Svemira.
To je Yotta godina
Elektron je najslabija subatomska čestica koja nosi negativni električni naboj. Ona nema poznate komponente, zbog čega se smatra osnovnim građevnim blokom svemira, ili elementarnom česticom.
Međunarodni istraživački tim koji je radio na Borexino eksperimentu u Italiji tražio je znakove elektrona koji se raspadaju u lakše čestice, ali kako se i očekivalo, došli su do kratkog spoja. To je zapravo dobra stvar jer potvrđuje ono što su fizičari dugo vremena sumnjali. Da su pronašli dokaze da se elektroni raspadaju u fotone i neutrine – čak i elementarne čestice niže mase – to bi narušilo očuvanje električnog naboja. Takvo otkriće upućivalo bi na potpuno novu fiziku izvan standardnog modela.
No istraživački je tim uspio pronaći najtočnije mjerilo “životnog vijeka” elektrona. Njihovi proračuni ukazuju na to da će danas prisutna čestica biti oko 66.000 yottayearsa (6.6 × 10 na 28 godina) stara, što je, kako to kaže World of Physics, “oko pet-kvintiliona puta više od trenutne starosti svemira.” sada se pojavljuje u znanstvenom časopisu Physical Review Letters.
Članak u APS Physics objašnjava kako su znanstvenici došli do tako ekstremne brojke:
Borexino se sastoji od ljuske tekućine na bazi nafte koja se osvjetljava kada neutrino, gotovo bezmasna neutralna čestica, izbaci elektron s jedne od atoma tekućine. Otprilike 2000 fotomultiplikatora detektora tada pojačavaju i osjećaju emitirano svjetlo. Istraživači su izračunali osjetljivost detektora na fotone proizvedene hipotetičkim raspadom elektrona u foton i neutrino … Zatim su tražili “događaje” fotona iznad te pozadine s energijama blizu 256 kilo-elektrona, što odgovara energiji na polovicu mase mirovanja elektrona.
Nakon što su pogledali podatke od 408 dana, pronašli su …. ništa. No, uspjeli su odrediti srednji vijek trajanja elektrona.
Nova donja granica
Sada, to ne znači da će elektroni živjeti tako dugo. Prvo, do tada svemir vjerojatno neće postojati. Čak i ako je još uvijek u blizini – recimo nakon scenarija Big Rip – temeljna svojstva čestica kao što su elektroni vjerojatno će biti potpuno drugačija.
Drugo, i još važnije, nova mjerenja se kreću prema prethodno procijenjenoj donjoj granici na “dugovječnost elektrona”. Nova brojka je 100 puta veća od prethodne donje granice, koja je određena u sličnom eksperimentu 1998. godine. na taj način, ako dođe do takve reakcije, to se mora dogoditi manje od jednom svakih 6.6 × 1028 godina.
Nema znakova propadanja
Razlog za strašno dug životni vijek odnosi se na činjenicu da znanstvenici ne mogu biti potpuno sigurni da su elektroni imuni na propadanje. Zapažanja Borexinovih istraživača – ili bolje rečeno, nedostatak opažanja – sugerira da, budući da do sada nismo vidjeli elektrone, njihov vijek trajanja mora biti barem toliko velik kao i novi izračuni.
Sean Carroll, profesor istraživanja na Odjelu za fiziku na Kalifornijskom institutu za tehnologiju, objasnio je to Gizmodu u e-pošti:
Raspadanje je vrlo prirodno u fizici čestica; teže čestice imaju tendenciju propadanja u lakše. Neutroni koji su ostali sami od sebe, na primjer, raspadaju se u proton, elektron i anti-neutrino u samo nekoliko minuta. To je samo verzija elementarne čestice propadanja radioaktivne jezgre poput urana.
Ali postoje neke stvari koje se, čini se, nikada ne događaju, koje opisujemo zakonima o očuvanju. Na primjer, ukupni električni naboj se ne mijenja. Također i “baryon broj” (ukupan broj protona plus neutrona, minus broj anti-protona plus anti-neutrona), i “leptonski broj” (elektroni plus neutrini, minus njihovi antičestici). Primijetite da je to zadovoljeno raspadom neutrona. Prije raspada imamo jedan neutron, koji je naboj = 0, baryonski broj = 1, a leptonski broj = 0. Nakon toga to je i naboj = 0 (proton = +1, elektron = -1, anti-neutrino = 0), baryon broj = 1 (proton = 1, elektron i anti-neutrino = 0), a lepton broj = 0 (proton = 0, elektron = 1, anti-neutrino = -1).
Broj Baryona i Leptona nikad se nije mijenjao ni u jednom eksperimentu – to bi bilo za Nobelovu nagradu – ali na teoretskim osnovama mislimo da bi se mogli promijeniti i vjerojatno u ranom svemiru. (To bi pomoglo objasniti zašto u sadašnjem svemiru ima više materije nego antimaterije.)
Ali nitko ne očekuje da će se naboj promijeniti, što je robusnije konzervirana količina.
“To bi bila jedna od najneočekivanijih stvari ako se električni naboj nije sačuvao”, rekao je Carroll. “Zato svi misle da se elektroni ne raspadaju.”
Carroll je rekao da su samo čestice koje su lakše od elektrona električno neutralne: neutrini, fotoni, gluoni, gravitoni. Da postoje druge svjetlosno nabijene čestice, do sada smo ih trebali otkriti. To sugerira da nema ništa u što bi se elektron mogao raspasti.
Ali još bismo trebali pogledati! To je lutrijska karta – malo je vjerojatno da ćete naći nešto, ali ako to učinite, obogatit ćete se ”, rekao je Carroll. “Nažalost, nisu pronašli ništa, ali nulti rezultati važan su dio dobre znanosti.”
Izvor: https://gizmodo.com/electron-lifespan-is-at-least-5-quintillion-times-the-1747606990
Fizičari u CERN-u otkrili su plan za budući ogromni razbijač čestica dužine 100 km
Fizičari u CERN-u su otkrili nacrt za ogromni razbijač čestica dužine 100 km koji bi se koristio za proučavanje Higsovog bozona u sitnim detaljima, kao i za traženje nove fizike. Danas je objavljen konceptualni projektni izveštaj za Future Circular Collider (FCC) – podzemni sudarivač za čestice koji bi bio povezan sa postojećim Velikim hadronskim sudaračem (LHC) u blizini Ženeve.
Pošto se LHC prvi put uključio u 2008. godini, sudarivač čestica dužine od 27 km razbijao je protone zajedno pri energijama do 13 TeV u lovu na nove čestice. Godine 2012. fizičari su objavili da su otkrili Higgsov bozon mase 125 GeV. To je dovelo do toga da su François Englert i Peter Higgs osvojili Nobelovu nagradu za fiziku za teoretsko predviđanje rada na čestici. Međutim, od tada nisu pronađene čestice izvan Standardnog modela, kao što su supersimetrični partneri.
Dok će LHC i dalje raditi još nekoliko decenija prije nego što se konačno isključi, fizičari već više od tri decenije sprovode istraživanje i razvoj na linearnim sudarima koji bi jednog dana mogli biti nasljednik LHC-a. Jedan od vodećih projektantskih napora je Međunarodni Linear Collider (ILC), koji bi ubrzao elektrone i pozitrone pomoću superprovodnih šupljina. Kako su elektroni i pozitroni fundamentalne čestice, njihovi sudari su čišći od sudara proton-proton na LHC-u, pa su idealni za detaljno proučavanje čestica.
Japan je jedina zemlja koja je pokazala interesovanje za domaćinstvo ILC-a, ali je japanska vlada povukla noge u odlučivanju da li će ugostiti mašinu. To je natjeralo fizičare da nedavno smanje svoje dizajne za ILC sa 500 GeV na 250 GeV, a japanska vlada očekuje da će donijeti konačnu odluku o domaćinstvu ILC-a u martu.
Ipak, fizičari čestica i dalje vide prednosti u skladu sa velikim kružnim koliderima, ne samo zato što imaju veliko iskustvo u njihovoj izgradnji. Od 1989. do 2000. godine, na primjer, CERN je upravljao Velikim elektronsko-pozitronskim kolajderom (LEP), koji je bio u istom tunelu u kojem se sada nalazi LHC i izvršio je precizna mjerenja Z i W bozona. A s obzirom na Higsovu relativno malu masu, kružni kolajder bi bio u stanju da proizvede veće luminoznosti bez da trpi ogromne gubitke od sinhrotronskog zračenja, što bi uticalo na kolajder koji radi na višim energijama od 500 GeV.
Precizne studije
FCC projekat je pokrenut 2013. godine od strane Evropske zajednice za fiziku čestica, a sastanak je održan naredne godine u Ženevi kako bi se počeo rad na izvještaju. Novi, idejni projekat sa četiri volumena razmatra izvodljivost izgradnje kružnog kolajdera od 100 km i ispituje fiziku koju takva potencijalna mašina može izvesti. Prvo se traži izgradnja 100 km dugog podzemnog tunela u kojem bi se smjestio sudarivač.
Ova mašina bi se sastojala od 80 km magneta za savijanje kako bi se ubrzao snop, kao i kvadrupolni magneti koji fokusiraju snop prije nego što ih sudaraju na dvije tačke u prstenu.
“FCC-ov konceptualni projektni izvještaj je izvanredno postignuće. To pokazuje ogroman potencijal FCC-a da poboljša naše znanje iz fundamentalne fizike i unaprijedi mnoge tehnologije sa širokim uticajem na društvo.”
- Fabiola Gianotti
FCC-ee – za koji se procjenjuje da će koštati oko 9 milijardi dolara, od čega bi se $ 5 milijardi koristilo za izgradnju tunela – radilo bi na 1/4 energije u periodu od 15 godina. Kolajder bi počeo sa 91 GeV, proizvodeći oko 1013 Z bozona tokom četiri godine prije nego što je radio na 160 GeV da bi proizveo 108 W + i W čestice u periodu od dve godine. Dok su W i Z čestice već izmjerene pomoću LEP kolajdera, procjenjuje se da bi FCC-ee mašina poboljšala takva mjerenja za red veličine.
Do tada je radio na 240 GeV za tri godine, FCC-ee bi se fokusirao na stvaranje milion Higgsovih čestica. To bi fizičarima omogućilo da prouče svojstva Higsovog bozona sa preciznošću reda veličine većom nego što je to danas moguće sa LHC. Konačno, kolajder bi se zatim zatvorio na godinu dana kako bi se pripremio da radi na oko 360 GeV da bi proizveo milion top i anti-top parova tokom pet godina. Preciznija mjerenja takvih čestica mogu ukazivati na odstupanja od predviđanja Standardnog modela koja bi mogla ukazati na novu fiziku.
Kada se program fizike za FCC-ee dovrši, isti tunel bi tada mogao da se koristi za postavljanje proton-protonskog kolidera (FCC-hh) mnogo na isti način na koji je LEP napravio put za LHC. “FCC bi mogao biti odgovor LEP-a i LHC-a”, kaže teoretičar John Ellis sa Kings College London. “Proton-protonski kolajder bi pružio najbolju šansu za otkrivanje novih čestica”.
FCC-hh bi koristio LHC i njegove pred-injektorske akceleratore za napajanje kolidera koji bi mogao da dostigne vrhunsku energiju od 100 TeV – četiri puta veću od LHC. Ipak, za proizvodnju takvih energija sudara potrebno je razviti nove magnete koji rade na višim magnetnim poljima kako bi upravljali gredom oko kolidera. LHC trenutno radi sa 8 T superprovodnih magneta napravljenih od niobijum-titanijumskih (NbTi) legura. Upotrebljavaju se superprovodni magneti koji omogućavaju protok velikih struja bez rasipne energije zbog električnog otpora. FCC-hh, međutim, sa 50 GeV gredama, umjesto toga bi zahtijevao 16 T magneta napravljenih od niobijum-kositra (Nb3Sn) supravodiča.
Trenutno LHC prolazi kroz dvogodišnje isključenje kako bi poboljšao svoju jačinu svjetlosti – mjerilo brzine sudara čestica – za faktor 10. Nazvan LHC s visokim sjajem svjetlosti (HL-LHC) ima za cilj staviti ovaj materijal na ispitivanje pomoću 11 T Nb3Sn supravodljivih dipolnih magneta. Ipak, potrebno je sprovesti više istraživanja i razvoja.
Izvor: CNN
Kako otkriće “Božje čestice” može značiti kraj fizike čestica – Sabine Hossenfelder
Veliki hadronski sudarač (LHC) nedavno je završio svoj drugi eksperiment. On sada prolazi kroz planiranu nadogradnju na nešto višu energiju, na kojoj će se prikupljati više podataka. Osim Higgsovog bozona, LHC nije pronašao nikakvu novu elementarnu česticu.
Moguće je da se u podacima koji se tek pojavljuju pojavljuje neka nova čestica. Ali fizičari čestica su nervozni. Ne izgleda dobro – osim nekoliko anomalija koje nisu statistički značajne, nema dokaza za bilo šta izvan normalnog. A ako LHC ne nađe ništa novo, nema razloga za razmišljanje o sljedećem većem sudaraču U tom slučaju, zašto izgraditi još jedan?
Ako LHC pronađe Higs i ništa drugo, nazvali su ga “scenarij noćne more” sa razlogom. Već 30 godina, fizičari čestica su nam rekli da LHC treba da pronađe nešto osim toga, nešto uzbudljivo: česticu za tamnu materiju, dodatne dimenzije prostora, ili možda novi tip simetrije. Nešto što bi dokazalo da standardni model nije sve što postoji. Ali to se nije dogodilo.
Sva ta predviđanja za novu fiziku bila su zasnovana na argumentima prirodnosti. Argumenti prirodnosti nisu matematički zdravi i ne treba im vjerovati.
Fizičari koji imaju problema sa fizičkim problemima sada imaju u vidu da je prirodnost bila jedini razlog da se misli na novu fiziku na LHC-u. Zato postaju nervozni. Bez prirodnosti, ne postoji argument za novu fiziku na energijama koje su čak i veće od LHC-a. (Ne do 15 redova veće, što je onda kada bi kvantna struktura prostor-vremena trebala postati primjetna. Ali energije tako velike će ostati nedostupne u doglednoj budućnosti.)
Kako su fizičari čestica reagovali na situaciju? Uglavnom se pretvarajući da se ništa nije dogodilo.
Jedna polovina se i dalje nada da će se na kraju nešto pojaviti u podacima. Možda je prirodnost samo komplikovanija nego što smo mislili. Druga polovina prefinjeno izrađuje argumente zašto bi sljedeći veći kolajder trebao vidjeti nove čestice.
Nekolicina nije primjetila da su prošli kraj ivice litice. Nedavni izvještaj o fizičkom stanju izvan standardnog modela na LHC-u, još uvijek ponavlja da je „prirodnost glavna motivacija za očekivanje nove fizike“.
Bez obzira na njihovu strategiju suočavanja, mnogi fizičari čestica vjerojatno sada žele da nikada nisu napravili ta predviđanja.
Izvor:
https://backreaction.blogspot.com/2018/12/how-lhc-may-spell-end-of-particle.html?m=1
Zašto čestice imaju masu?
Nobelovu nagrada za fiziku 2013. dodeljena je dvojici teoretičara koji su formulisali Higgsov mehanizam, koji daje masu osnovnim česticama.
Predložena i otkrivena čestica. Peter Higgs, jedan od Nobelovih laureata fizike 2013, ispred CMS detektora, koji je dio Large Hadron Collidera u CERN-u, evropske laboratorije za fiziku čestica. Istraživači su koristili CMS da posmatraju česticu koju je Higs predvidio prije skoro 50 godina.
50 godina nakon predviđanja, fizičari čestica konačno su uhvatili Higgs boson. Tako je Nobelov komitet dao nagradu za fiziku dva teoretičara koji su pokrenuli ovaj lov za česticama. François Englert sa Slobodnog univerziteta u Briselu (ULB) i Peter Higgs sa Univerziteta u Edinburghu, UK, samostalno su izradili model objašnjavajući zašto su čestice masivne, a za ovaj model je potrebno postojanje Higgs bosona. Oba lista su objavljena 1964. godine u časopisu “Physical Review Letters”.
Higgs bozon je poslednji komad standardnog modela fizike čestica koji se posmatra, nakon nekoliko decenija pretrage. U junu 2012. godine CERN je najavio s velikom da je Large Hadron Collider (LHC) u Ženevi otkrio česticu sa pravim osobinama da bude Higsov bozon, što je značilo da su istraživači potvrdili osnovnu teoriju mase.
Higsovi bozon tehnički ne daje masu drugim česticama. Tačnije, čestica je kvantizovana manifestacija polja (Higgsovo polje) koja generiše masu kroz svoju interakciju sa drugim česticama. Ali zašto nije moguće pretpostaviti masu samo kao datu?
Higsovi bozon tehnički ne daje masu drugim česticama. Tačnije, čestica je kvantizovana manifestacija polja (Higgsovo polje) koja generiše masu kroz svoju interakciju sa drugim česticama. Ali zašto nije moguće pretpostaviti masu samo kao dato?
Odgovor se vraća na prethodni rad u kvantnoj teoriji polja. Kvantna polja su slična poznatim poljima, poput električnih i magnetnih polja. Ali kvantna polja sadrže pobuđena stanja koja posmatramo kao čestice. Ova polja se mogu podijeliti na polja materije (čije su čestice elektroni, kvarkovi, itd.) i polja sila (čije su čestice fotoni, gluoni itd.). Krajem 1940-ih, teoretičari su pokazali da kvantna teorija polja fotona i elektrona može uspešno objasniti elektromagnetne interakcije pri visokoj energiji.
Međutim, teorija je imala problema sa modeliranjem nuklearnih interakcija. Kratki raspon slabe nuklearne sile implicirao je da odgovarajuće čestice imaju masu, za razliku od bezmasivnog fotona, čestica povezanih sa elektromagnetnim poljima. Jednostavno držanje mase za česticu koja nosi silu imalo je katastrofalne efekte, što je dovelo do određenih predviđanja koja divljaju do beskonačnosti. Početkom šezdesetih, teoretičari su bili zauzeti u potrazi za alternativnim načinima da se masa može uvesti u teoriju.
Rješenje koje su Higgs, Englert i Robert Brout (koji je radio sa Englertom na ULB-u, ali je sada preminuo) predlaže da je čitav prostor ispunjen poljem koje djeluje s slabim silama čestica kako bi im dalo masu. To čini, jer se pretpostavlja da polje nije prazno u praznom prostoru. Ovo nenormalno stanje krši simetriju koja se smatra osnovnom za kvantnu teoriju polja. Raniji rad pokazao je da je ovakav prekid simetrije doveo do bezmasivne, bezspinske čestice koja je isključena eksperimentima. Englert, Brout i Higgs su pokazali kako se ova neželjena čestica može nestati spajanjem polja za punjenje prostora s poljem slabe sile. Kada su razradili sve interakcije, utvrdili su da su čestice sile efektivno imale masu, a neželjene, bezmasivne, bespilotne čestice su u suštini apsorbovale slabe čestice. Ove čestice su dobijale treće spin-stanje kao rezultat, a jedina preostala spinless čestica bila je masivni Higgs bozon. Sličnu teoriju razvio je i treći tim teoretičara iste godine.
Sljedeći rad pokazao je da mehanizam Brout-Englert-Higgs (ili “Higgs mehanizam” kratko) može dati masu ne samo slabim česticama, već i elektronima, kvarkovima i drugim osnovnim česticama. Što snažnije čestica stupi u interakciju sa Higgsovim poljem, to je masivnija. Važno je napomenuti, međutim, da većina mase u kompozitnim česticama, kao što su protoni, jezgra i atomi, ne dolazi iz Higgsovog mehanizma, već od energije vezivanja koja drži ove čestice zajedno.
“Brout i Englert i Higgs su predstavili vrlo pametnu ideju, sada poznatu kao Higsov mehanizam”, kaže Michael Turner sa Univerziteta u Čikagu. “Pruža objašnjenje jednog od najjednostavijih pitanja koja se mogu pitati: zašto čestice imaju masu? Takvo jednostavno pitanje – ali veoma duboko – mnogi čak i ne razmišljaju da ga pitaju. “Da bi se dokazao ovaj mehanizam, fizičari čestica napravili su LHC, najveću, najsavremeniju tehnološki sofisticiranu mašinu ikada napravljenu, kaže Joseph Incandela, portparol CMS-a eksperimenta, koji je bio jedan od detektora koji su primjetili Higgs boson. “Mislim da ljudi gledaju u ovo i osećaju da je fizika čestica ovdje uradila nešto poput sletanja na Mjesec”, kaže on.
Izvor: www.physics.aps.org