Store Hadron Collider -udskiftningsplaner afsløret - her er hvad den kunne opdage

Large Hadron Collider (LHC) på CERN er den mest kraftfulde partikelaccelerator i verden. I løbet af sine ti års drift har det ført til bemærkelsesværdige opdagelser, herunder den længe eftertragtede Higgs boson. Den 15. januar, et internationalt team af fysikere afslørede konceptdesignet for en ny partikelaccelerator, der ville dværge LHC.

"Future Circular Collider" er opfattet som en efterfølger til LHC, og - hvis det får grønt lys - ville det give fysikere mulighed for at søge svar på nogle af de største mysterier inden for fysik. Dette inkluderer at finde ud af, hvad langt størstedelen af ​​universet rent faktisk er lavet af eller opdage helt ny fysik.

Forslaget påtænker en ny 100 km omkredsstunnel, der vil kede sig gennem jorden, omkranser byen Genève og det omkringliggende landskab. Den 27 km lange LHC ville føre partikler ind i den nye kollider - som en motorvejsbane. Dette ville i sidste ende tillade det at kollidere partikler med energier omkring syv gange højere end LHC kan klare. Dette ville lade denne kollider skabe partikler, der er uden for rækkevidde af LHC - skubbe partikelfysik dybt ind i et uudforsket mikroskopisk område.

Portal til en mørk verden

Future Circular Collider er virkelig flere projekter i ét. Den første fase forestiller sig en maskine, der kolliderer elektroner med deres såkaldte "antimaterieversioner, "positroner. Alle partikler menes at have en antimaterieledsager, praktisk talt identisk med sig selv, men med modsat ladning. Når en sag og en antimateriale partikel mødes, de tilintetgør hinanden fuldstændigt, med al deres energi omdannet til nye partikler.

En sådan kolliders kollisionsenergi kunne kontrolleres meget præcist. Også, kollisioner ville være meget "rene" i forhold til LHC, som kolliderer protoner (partikler, der udgør atomkernen sammen med neutroner). Protoner er ikke grundlæggende partikler som elektroner, men tilfældige poser med mindre partikler, herunder kvarker og gluoner. Når protoner støder sammen, deres indre bliver sprøjtet overalt, gør det meget sværere at få øje på nye partikler blandt affaldet.

Det primære mål med elektron-positron-kollideren ville være at studere Higgs-bosonen, partiklen impliceret i oprindelsen af ​​masserne af de andre grundlæggende partikler. Den nye kollider ville skabe millioner af Higgs -bosoner og måle deres egenskaber i enestående detaljer.

Sådanne præcisionsmålinger giver mange muligheder for nye opdagelser. En af de mest pirrende er, at Higgs kunne fungere som portal, der forbinder den verden af ​​almindeligt atomært stof, som vi bebor, med en skjult verden af ​​partikler, der ellers ikke kan detekteres. Omkring 85% af alt materie i universet i universet er "mørkt, "består af partikler, vi aldrig har været i stand til at se. Vi ved kun, at den eksisterer på grund af den tyngdekraft, den har på omgivende stof. Spændende, en elektron-positron-kollider kunne afsløre, at Higgs-bosonen forfalder til disse skjulte partikler.

I anden fase, kollideren ville blive erstattet af en langt mere kraftfuld proton-proton-kollider-der nåede kollisionsenergier på 100 billioner elektronvolt. Dette ville være en opdagelsesmaskine, i stand til at skabe et stort udvalg af nye partikler, som fysikere formoder, kan ligge uden for rækkevidde af LHC.

I særdeleshed, det ville næsten fuldstændigt udforske energiområdet, hvor de fleste former for mørkt stof sandsynligvis findes. Det ville også være i stand til at undersøge de forhold, der eksisterede en billioner af et sekund efter Big Bang. Dette øjeblik i universets historie er afgørende, da det er, da Higgs-feltet-et altomspændende energifelt, som Higgs-bosonen er en lille krusning i-kollapsede i sin nuværende tilstand, hvilket er det, der genererede masserne af de grundlæggende partikler.

At forstå, hvordan Higgs -feltet erhvervede sin nuværende energi, er et af de største udestående problemer inden for fysik, da det ser ud til at være utroligt fintunet for at tillade atomer - og derfor stjerner, planeter og mennesker - at eksistere.

Som fysiker, der arbejder på LHC -skønhedseksperimentet, Jeg håber personligt, at denne nye kollider i sidste ende også kunne hjælpe os med at løse gåden om, hvorfor universet næsten udelukkende er lavet af stof og ikke antimateriale.

Heftig prisskilt

Den første fase af den nye kollider ville komme online i 2040'erne, efter det sidste løb af det opgraderede LHC. Den mere kraftfulde proton-proton-kollider ville blive installeret i 2050'erne. Begge projekter kommer med en stor pris:9 milliarder euro for elektron-positronmaskinen og yderligere 15 milliarder euro for proton-proton-kollideren. Dette har rejst forståelig kritik af, at pengene bedre kan bruges andre steder, for eksempel i kampen mod klimaændringer.

John Womersley, en seniorfysiker involveret i Future Circle Collider, fortalte mig, at ud over værdien af ​​grundlæggende viden i sig selv, der vil være andre betydelige kortsigtede fordele. Han sagde:"FCC vil presse udviklingen af ​​innovative teknologier til at løse nye udfordringer. World Wide Web, Wi-Fi og superledende magneter i MR-maskiner blev alle udviklet for at imødekomme behovene i grundlæggende fysik. "Projektet har også en enorm kraft til at inspirere den næste generation af fysikere.

Ultimativt, sådan en ambitiøs ordning vil kun være mulig gennem et stort internationalt samarbejde, med finansiering fra snesevis af lande. Projektet omfatter allerede 1, 300 bidragydere fra 150 universiteter, forskningsinstitutter og industrielle partnere rundt om i verden. I mellemtiden, et lignende kollideringsprojekt overvejes også af Kina, måske det eneste land, der er i stand til at mobilisere de ressourcer, der er nødvendige for at bygge en så stor maskine alene.

Fortalerne for Future Circular Collider håber, at projektet vil blive vedtaget i den nye europæiske strategi for partikelfysik, offentliggøres i 2020. Hvis det accepteres, det vil starte en lang proces med forskning og udvikling, men også for at overbevise de nationale regeringer og offentligheden om, at den spændende grundforskning, der kan udføres ved kollideren, er værd at investere i.

De politiske udfordringer er utvivlsomt enorme, men fysikere er fast besluttede på ikke at opgive jagten på en dybere forståelse af vores univers.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.