Kembali pada tahun 2008, satu rasuk proton pertama diluncurkan di sekitar Large Hadron Collider (LHC), pemecut zarah yang paling berkuasa di dunia. Sekarang, satu dekad kemudian, sudah tiba masanya untuk mengambil apa yang telah kami pelajari terima kasih kepada kemudahan ini dan apa yang akan berlaku.
Perakaunan ini merangkumi kedua-dua penyelidikan masa depan yang LHC dapat menjalankan dan mungkin kemudahan baru yang boleh bertabrakan dengan zarah-zarah pada tenaga jauh melebihi apa yang boleh dicapai oleh LHC. Dua, atau mungkin tiga, kemungkinan penggantian untuk LHC telah dicadangkan. Jadi, mari kita semak di mana kita berada dan di mana kita telah datang sepanjang dekad yang lalu.
Kisah LHC adalah kedua-duanya menggembirakan dan bergelora, dengan peristiwa-peristiwa yang merosakkan kerosakan kepada magnet besar instrumen pada hari-hari pertama operasi, untuk kenaikan seperti phoenix dari tragedi itu, diikuti oleh penemuan kukuh dan menarik, termasuk penemuan boson Higgs. Penemuan itu diperoleh Peter Higgs dan Francois Englert Hadiah Nobel, kerana mereka telah meramalkan zarah lebih setengah abad lalu. Adalah luar biasa bagi dunia untuk terus mengikuti berita fizik zarah, tetapi pengumuman penemuan Higgs mengetuai berita baru di seluruh dunia.
Mencari fizik baru
Fizik juga berada di pinggir kerusi mereka, menunggu apa yang mereka harapkan akan menjadi penemuan yang tidak dijangka. Selama hampir setengah abad, para saintis mempunyai pemahaman teoritis semasa tentang kelakuan subatomik yang dihasilkan. Pemahaman ini dipanggil Model Standard fizik zarah.
Model ini menerangkan kelakuan molekul dan atom yang biasa diperhatikan dan bahkan blok bangunan terkecil yang pernah diperhatikan. Zarah-zarah ini dipanggil kuark dan lepton, dengan quark dijumpai di dalam proton dan neutron yang terdiri daripada nukleus atom dan dengan elektron menjadi lepton yang paling biasa. Model Standard juga menjelaskan kelakuan semua kuasa yang diketahui, kecuali graviti. Ini benar-benar pencapaian saintifik yang luar biasa.
Walau bagaimanapun, Model Standard tidak menerangkan semua perkara dalam fizik teori. Ia tidak menjelaskan mengapa quarks dan leptons nampaknya wujud dalam tiga konfigurasi yang berbeza tetapi hampir sama, dipanggil generasi. Model ini tidak menjelaskan mengapa alam semesta kita dibuat sepenuhnya, apabila pemahaman sederhana tentang teori relativiti Albert Einstein mengatakan bahawa alam semesta juga harus mengandungi jumlah antimatter yang sama.
Model Standard tidak menjelaskan mengapa kajian kosmos menunjukkan bahawa perkara biasa atom membentuk hanya 5 peratus daripada perkara dan tenaga alam semesta. Selebihnya dianggap terdiri daripada bahan gelap dan tenaga gelap. Matlamat gelap adalah satu bentuk materi yang hanya mengalami graviti dan tidak ada kekuatan asas yang lain, sementara tenaga gelap adalah bentuk gravitasi yang menjijikkan yang menyerap kosmos.
Sebelum operasi pertama LHC, ahli fizik seperti saya berharap bahawa penghancur atom akan membantu kita menjawab soalan-soalan yang membingungkan ini. Teori calon yang paling digemari untuk menerangkan teka-teki itu dinamakan supersymmetry. Ia menunjukkan bahawa semua zarah subatom yang diketahui mempunyai zarah-zarah sejajar "superpartner". Ini, seterusnya, dapat memberikan penjelasan untuk perkara gelap dan menjawab beberapa soalan lain. Bagaimanapun, ahli fizik tidak melihat mana-mana supersimetri. Terlebih lagi, data LHC telah menolak teori mudah yang menggabungkan supersimetri. Jadi, apa yang telah dicapai oleh LHC?
LHC telah banyak dilakukan
Selain itu, selain daripada keseluruhan perkara boson Higgs, LHC telah memberi data kepada empat percubaan eksperimen yang besar, menghasilkan lebih daripada 2,000 kertas saintifik. Di dalam LHC, zarah-zarah telah dihancurkan antara satu sama lain dengan tenaga sebanyak 6.5 kali lebih tinggi daripada yang dicapai oleh Fermilab Tevatron, yang memegang tajuk pemecut zarah yang paling berkuasa di dunia selama seperempat abad, sehingga LHC mengambil mahkota tersebut.
Ujian Model Standard ini sangat penting. Mana-mana salah satu pengukuran itu mungkin tidak bersetuju dengan ramalan, yang akan membawa kepada penemuan. Walau bagaimanapun, ternyata bahawa Model Standard adalah teori yang sangat baik, dan ia dibuat sebagai ramalan yang tepat pada tenaga perlanggaran LHC seperti yang dilakukan untuk tahap tenaga pada Tevatron sebelumnya.
Jadi, adakah masalah ini? Dalam erti kata yang sangat nyata, jawapannya tidak. Lagipun, sains sama banyak mengenai ujian dan menolak idea-idea baru yang salah kerana ia mengesahkan yang betul.
Sebaliknya, tidak ada yang menafikan bahawa saintis pasti lebih teruja untuk mencari fenomena yang tidak diramalkan sebelum ini. Penemuan jenis pemikiran manusia itu berpunca, memuncak dalam penulisan semula buku teks.
Kisah LHC tidak berakhir
Jadi, sekarang apa? Adakah LHC selesai memberitahu kami kisahnya? Hampir tidak. Sesungguhnya penyelidik menanti penambahbaikan terhadap peralatan yang akan membantu mereka mengkaji soalan yang tidak dapat ditangani dengan menggunakan teknologi semasa. LHC ditutup pada awal Disember 2018 selama dua tahun kerja pengubahsuaian dan peningkatan. Apabila pemecut bertindak semula pada musim bunga tahun 2021, ia akan kembali dengan peningkatan sedikit tenaga tetapi dua kali ganda jumlah perlanggaran setiap saat. Dengan mengambil kira peningkatan masa depan yang dirancang, para saintis LHC setakat ini mencatatkan hanya 3 peratus daripada data yang dijangkakan. Walaupun akan mengambil masa bertahun-tahun untuk menyaring semua penemuan, pelan semasa adalah untuk merakam kira-kira 30 kali lebih banyak data daripada yang telah diperoleh setakat ini. Dengan lebih banyak data yang akan datang, LHC masih mempunyai banyak cerita untuk diberitahu.
Walau bagaimanapun, sementara LHC akan beroperasi selama 20 tahun lagi, ia sangat wajar untuk bertanya, "Apa yang akan datang?" Pakar fizik zarah memikirkan membina pemecut zarah tindak lanjut untuk menggantikan LHC. Berikutan tradisi LHC, satu kemungkinan akan bertembung dengan proton bersama-sama dengan tenaga yang membimbangkan - 100 trilion elektron voltan (TeV), yang jauh lebih besar daripada keupayaan tertinggi LHC iaitu 14 TeV. Tetapi yang mencapai tenaga itu memerlukan dua perkara: Pertama, kita perlu membina magnet yang dua kali lebih kuat seperti yang mendorong partikel di sekitar LHC. Itu dianggap mencabar tetapi boleh dicapai. Kedua, kita memerlukan terowong lain, seperti LHC, tetapi lebih tiga kali lebih besar, dengan lilitan bola sejauh 61 batu (100 kilometer), kira-kira empat kali lebih besar daripada LHC.
Tetapi di manakah terowong besar ini akan dibina, dan apa yang akan kelihatan seperti ini? Apakah rentetan yang akan bertembung dan tenaga apa? Nah, mereka adalah soalan yang baik. Kami tidak cukup jauh bersama-sama dalam proses reka bentuk dan membuat keputusan untuk mendapatkan jawapan, tetapi terdapat dua kumpulan ahli fizik yang sangat besar dan berjaya memikirkan isu-isu tersebut, dan mereka masing-masing menghasilkan cadangan untuk pemecut baru. Salah satu cadangan, yang sebahagian besarnya didorong oleh kumpulan penyelidikan Eropah, membayangkan membina pemecut tambahan besar, kemungkinan besar terletak di makmal CERN, di luar Geneva.
Di bawah satu idea, kemudahan di sana akan bertembung dengan rasuk elektron dan elektron antimater. Kerana perbezaan antara mempercepatkan proton berbanding elektron - satu rasuk elektron kehilangan lebih banyak tenaga di sekitar struktur pekeliling daripada balok proton - rasuk ini akan menggunakan terowong 61-batu panjang tetapi beroperasi pada tenaga yang lebih rendah daripada jika ia adalah proton. Satu lagi cadangan akan menggunakan pemecut yang sama dengan 61-batu untuk bertembung dengan rasuk proton. Cadangan yang lebih sederhana akan menggunakan semula terowong LHC semasa tetapi dengan magnet yang lebih berkuasa. Pilihan itu hanya akan menggandakan tenaga perlanggaran melebihi apa yang LHC boleh lakukan sekarang, tetapi ia adalah alternatif yang lebih murah. Cadangan lain, yang sebahagian besarnya diperjuangkan oleh penyelidik China, membayangkan kemudahan yang baru, yang mungkin dibina di China. Puncak ini juga kira-kira 61 batu di sekelilingnya, dan ia akan bertembung dengan elektron dan elektron antimatter bersama-sama, sebelum beralih kepada perlanggaran proton-proton pada tahun 2040.
Kedua-dua projek yang berpotensi masih dalam tahap bercakap. Akhirnya, para saintis yang membuat cadangan ini perlu mencari kerajaan atau kumpulan pemerintah yang sanggup mengikat bil. Tetapi sebelum itu boleh berlaku, saintis perlu menentukan keupayaan dan teknologi yang diperlukan untuk membuat kemudahan baru ini mungkin. Kedua-dua kumpulan baru-baru ini mengeluarkan dokumentasi menyeluruh dan teliti mengenai reka bentuk mereka. Itu tidak mencukupi untuk membina kemudahan mereka yang dicadangkan, tetapi cukup baik untuk membandingkan kedua persembahan makmal masa depan dan mula menyusun ramalan kos yang boleh dipercayai.
Menyiasat sempadan pengetahuan adalah usaha yang sukar, dan ia boleh mengambil masa beberapa dekad dari impian pertama membina kemudahan magnitud ini, melalui operasi ke penutupan kemudahan itu. Semasa kami menandakan ulang tahun ke-10 rasuk pertama di LHC, ia patut mengambil stok apa kemudahan yang dicapai dan masa depan yang akan dibawa. Ia kelihatan kepada saya seperti akan ada data menarik untuk generasi saintis yang akan datang untuk belajar. Dan mungkin, mungkin, kita akan belajar beberapa lagi rahsia menarik alam semula jadi.
Don Lincoln adalah seorang penyelidik fizik di Malaysia Fermilab. Beliau adalah pengarang "The Large Hadron Collider: Kisah Luar Biasa Higgs Boson dan Lain-lain Stuff Itu Akan Blow Pikiran Anda"(Johns Hopkins University Press, 2014), dan dia menghasilkan satu siri pendidikan sains video. Ikut dia di Facebook. Pendapat yang dinyatakan dalam ulasan ini adalah beliau.
Don Lincoln menyumbangkan artikel ini kepada Live Science Pakar Suara: Op-Ed & Insights.
