Niemand knoeit met de Large Hadron Collider. Het is de allerbeste deeltjesverbrander van het huidige tijdperk, en niets kan de energiecapaciteiten of het vermogen om de grenzen van de natuurkunde te bestuderen, aanraken. Maar alle glorie is van voorbijgaande aard en niets duurt voor altijd. Uiteindelijk, ergens rond 2035, gaan de lichten aan deze 27 kilometer lange (27 kilometer) stroomkring uit. Wat komt er daarna?
Concurrerende groepen over de hele wereld verdringen zich om financiële steun te krijgen om hun huisdier-collider-ideeën het volgende grote ding te maken. Een ontwerp werd op 13 augustus beschreven in een paper in het preprint-tijdschrift arXiv. Bekend als de Compact Linear Collider (of CLIC, want dat is schattig), lijkt het voorgestelde massieve, subatomaire railkanon de voorloper te zijn. Wat is de ware aard van het Higgs-deeltje? Wat is de relatie met de top-quark? Kunnen we hints van natuurkunde vinden die verder gaan dan het standaardmodel? CLIC kan deze vragen mogelijk beantwoorden. Het betreft alleen een deeltjesbotser die langer is dan Manhattan.
Subatomaire dragracen
De Large Hadron Collider (LHC) slaat enigszins zware deeltjes samen die bekend staan als hadrons (vandaar de naam van de faciliteit). Je hebt een stel hadrons in je lichaam; protonen en neutronen zijn de meest voorkomende vertegenwoordigers van die microscopische clan. Bij de LHC gaan de hadrons rond en rond in een gigantische cirkel, totdat ze de snelheid van het licht naderen en beginnen te breken. Hoewel indrukwekkend - de LHC bereikt energieën die ongeëvenaard zijn door enig ander apparaat op aarde - is de hele zaak een beetje rommelig. Hadrons zijn tenslotte conglomeraatdeeltjes, gewoon zakken met andere, kleinere, meer fundamentele dingen, en wanneer hadrons breken, morsen al hun ingewanden overal, wat analyse gecompliceerd maakt.
CLIC is daarentegen ontworpen om veel eenvoudiger, schoner en chirurgischer te zijn. In plaats van hadronen versnelt CLIC elektronen en positronen, twee lichte, fundamentele deeltjes. En deze smasher versnelt deeltjes in een rechte lijn, overal van 7 tot 31 mijl (11 tot 50 km), afhankelijk van het uiteindelijke ontwerp, recht in de loop.
Al deze ontzagwekkendheid zal niet in één keer gebeuren. Het huidige plan is dat CLIC in 2035 op een lagere capaciteit gaat draaien, precies wanneer de LHC afloopt. De CLIC van de eerste generatie zal werken op slechts 380 giga-elektronvolts (GeV), minder dan een dertigste van het maximale vermogen van de LHC. In feite is zelfs het volledige operationele vermogen van CLIC, momenteel gericht op 3 tera-elektronvolts (TeV), minder dan een derde van wat de LHC nu kan doen.
Dus als een geavanceerde deeltjesbotser van de volgende generatie niet kan verslaan wat we vandaag kunnen doen, wat heeft het dan voor zin?
Higgs-jager
Het antwoord van CLIC is om slimmer te werken, niet harder. Een van de belangrijkste wetenschappelijke doelen van de LHC was het vinden van het Higgs-deeltje, het lang gezochte deeltje dat andere deeltjes hun massa geeft. In de jaren tachtig en negentig, toen de LHC werd ontworpen, wisten we niet zeker of de Higgs zelfs bestonden, en we hadden geen idee wat de massa en andere eigenschappen ervan waren. Dus moesten we een instrument voor algemene doeleinden bouwen dat vele soorten interacties kon onderzoeken die allemaal een Higgs zouden kunnen onthullen.
En dat hebben we gedaan. Hoera!
Maar nu we weten dat de Higgs echt is, kunnen we onze botsers afstemmen op een veel smallere reeks interacties. Daarbij streven we ernaar om zoveel mogelijk Higgs-bosonen te produceren, enorm veel sappige gegevens te verzamelen en veel meer te leren over dit mysterieuze, maar fundamentele deeltje.
En hier komt misschien het vreemdste stukje natuurkundejargon dat je deze week waarschijnlijk zult tegenkomen: Higgsstrahlung. Ja, je leest het goed. Er is een proces in de deeltjesfysica dat bekend staat als bremsstrahlung, een uniek soort straling dat wordt geproduceerd door een stel hete deeltjes die in een kleine doos zijn gepropt. Naar analogie, wanneer je een elektron op een positie met hoge energieën slaat, vernietigen ze elkaar in een regen van energie en nieuwe deeltjes, waaronder een Z-boson gecombineerd met een Higgs. Vandaar Higgsstrahlung.
Bij 380 Gev wordt de CLIC een buitengewone fabriek in de Higgsstrahlung-fabriek.
Voorbij de bovenste quark
In het nieuwe artikel legde Aleksander Filip Zarnecki, een fysicus aan de Universiteit van Warschau in Polen en lid van de CLIC-samenwerking, de huidige status van het ontwerp van de faciliteit uit, gebaseerd op geavanceerde simulaties van de detectoren en deeltjesbotsingen.
De hoop met CLIC is dat door simpelweg zoveel mogelijk Higgs-bosonen te produceren in een schone, gemakkelijk te bestuderen omgeving, we meer over het deeltje kunnen leren. Is er meer dan één Higgs? Praten ze met elkaar? Hoe sterk interageren de Higgs met alle andere deeltjes van het standaardmodel, de belangrijkste theorie van de subatomaire fysica?
Dezelfde filosofie zal worden toegepast op de top-quark, de minst begrepen en zeldzaamste van de quarks. Je hebt waarschijnlijk niet veel gehoord over de top-quark omdat het een soort eenling is - het was de laatste quark die werd ontdekt en we zien hem maar zelden. Zelfs in de beginfase zal CLIC ongeveer 1 miljoen topquarks produceren, wat een statistische kracht biedt die ongehoord is bij het gebruik van de LHC en andere moderne colliders. Van daaruit hoopt het team achter CLIC te onderzoeken hoe het top-quarkdeeltje vervalt, wat zeer zelden gebeurt. Maar met een miljoen van hen kun je misschien iets leren.
Maar dat is niet alles. Natuurlijk is het één ding om de Higgs en top quark uit te werken, maar het slimme ontwerp van CLIC stelt het in staat om de grenzen van het standaardmodel te verleggen. Tot dusver is de LHC drooggevallen in zijn zoektocht naar nieuwe deeltjes en nieuwe fysica. Hoewel er nog genoeg jaren over zijn om ons te verrassen, neemt de hoop met het verstrijken van de tijd af.
Door de ruwe productie van talloze Higgs-bosonen en top-quarks, kan CLIC op zoek naar hints van nieuwe fysica. Als er een exotisch deeltje of interactie is, kan dit subtiel het gedrag, verval en de interacties van deze twee deeltjes beïnvloeden. CLIC kan zelfs het deeltje produceren dat verantwoordelijk is voor donkere materie, die mysterieuze, onzichtbare materie die de loop van de hemel verandert. De faciliteit zal natuurlijk niet direct donkere materie kunnen zien (omdat het donker is), maar natuurkundigen kunnen zien wanneer energie of momentum is verdwenen bij de botsingsgebeurtenissen, een zeker teken dat er iets funky aan de hand is.
Wie weet wat CLIC zou kunnen ontdekken? Maar wat er ook gebeurt, we moeten verder gaan dan de LHC als we een behoorlijke kans willen hebben om de bekende deeltjes van ons universum te begrijpen en enkele nieuwe te ontdekken.
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van "Vraag een Spaceman" en "Space Radio, "en auteur van"Jouw plaats in het universum."
