Hvað uppfærsla færir CERN

Sex árum eftir uppgötvun staðfestir Higgs bóson spá. Brátt mun uppfærsla á Large Hadron Collider gera CERN vísindamönnum kleift að framleiða fleiri af þessum ögnum til að prófa staðlað eðlisfræðilíkan

ATLAS kandídatviðburður fyrir Higgs bósón (H) sem rotnar í tvo botnkvarka (b), í tengslum við W bósón sem rotnar í múon (μ) og nifteind (ν). (Mynd: ATLAS/CERN)

Skrifað af Rashmi Raniwala og Sudhir Raniwala

Sex árum eftir að Higgs bóseininn fannst við CERN Large Hadron Collider (LHC), tilkynntu agnareðlisfræðingar í síðustu viku að þeir hefðu fylgst með hvernig ögnin eyðist. Niðurstaðan, sem kynnt var af ATLAS og CMS samstarfi, sá að Higgs bósónin rotnuðu í grundvallaragnir sem kallast botnkvarkar.

Árið 2012 staðfesti Nóbelsuppgötvun Higgs bósonsins staðlaða eðlisfræðilíkanið, sem einnig spáir því að um 60% tilvika muni Higgs bóson rotna í par af botnkvarka. Samkvæmt CERN skiptir sköpum að prófa þessa spá þar sem niðurstaðan mun annað hvort styðja staðlaða líkanið - sem byggir á þeirri hugmynd að Higgs sviðið gefi kvarka og aðrar grundvallaragnir massa - eða rokka undirstöður þess og benda á nýja eðlisfræði.

Higgs-bósónið var greint með því að rannsaka árekstra agna við mismunandi orku. En þeir endast aðeins í eina zeptósekúndu, sem er 0.000000000000000000001 sekúndur, svo að greina og rannsaka eiginleika þeirra krefst ótrúlegrar orku og háþróaðra skynjara. CERN tilkynnti fyrr á þessu ári að það væri að fá stórfellda uppfærslu, sem verður lokið árið 2026.

Af hverju að rannsaka agnir?

Agnaeðlisfræði rannsakar náttúruna á öfgakenndum mælikvarða til að skilja grundvallarþætti efnis. Rétt eins og málfræði og orðaforði leiðbeina (og hefta) samskipti okkar, hafa agnir samskipti sín á milli í samræmi við ákveðnar reglur sem eru felldar inn í það sem kallast „fjögur grundvallarsamskiptin“. Agnunum og þremur af þessum víxlverkunum er lýst með góðum árangri með samræmdri nálgun sem kallast Standard Model. SM er umgjörð sem krafðist tilvistar ögn sem kallast Higgs bóson og eitt af meginmarkmiðum LHC var að leita að Higgs bóseini.

Hvernig eru svona örsmáar agnir rannsakaðar?

Róteindum er safnað saman í hópa, þeim er hraðað upp í næstum ljóshraða og þær látnar rekast. Margar agnir koma upp úr slíkum árekstri, kallaðar atburður. Agnirnar sem koma upp sýna að því er virðist tilviljunarkennd mynstur en fylgja undirliggjandi lögmálum sem stjórna hluta af hegðun þeirra. Að rannsaka mynstur í losun þessara agna hjálpar okkur að skilja eiginleika og uppbyggingu agna.

Upphaflega veitti LHC árekstra við áður óþekkta orku sem gerði okkur kleift að einbeita okkur að því að rannsaka ný landsvæði. En nú er kominn tími til að auka uppgötvunarmöguleika LHC með því að taka upp fleiri atburði.

(Heimild: CERN)

Svo, hvað mun uppfærsla þýða?

Eftir að Higgs-bósónið hefur verið uppgötvað er brýnt að rannsaka eiginleika hinnar nýfundnu ögn og áhrif hennar á allar aðrar agnir. Til þess þarf mikinn fjölda Higgs-bósóna. SM hefur sína galla og það eru aðrar gerðir sem fylla þessar eyður. Réttmæti þessara og annarra líkana sem bjóða upp á val við SM er hægt að prófa með því að gera tilraunir til að athuga spár þeirra. Sumar af þessum spám, þar á meðal merki um hulduefni, ofursamhverfar agnir og aðrar djúpar leyndardómar náttúrunnar eru mjög sjaldgæfar og því erfitt að fylgjast með, sem krefst þess enn frekar að þörf sé á High Luminosity LHC (HL-LHC).

Ímyndaðu þér að reyna að finna sjaldgæfa afbrigði af demöntum á meðal mjög mikils fjölda verka sem virðast svipaðir. Tíminn sem það tekur að finna eftirsótta demantinn fer eftir fjölda stykki sem veitt er á hverri tímaeiningu fyrir skoðun og tímanum sem það tekur í skoðun. Til að klára þetta verkefni hraðar þurfum við að fjölga hlutunum sem eru til staðar og skoða hraðar. Í því ferli gætu nýir demantar, sem hingað til hafa ekki sést og óþekktir, uppgötvast, sem breytir sjónarhorni okkar á sjaldgæfum afbrigðum af demöntum.

Þegar það hefur verið uppfært mun tíðni árekstra aukast og líkurnar á flestum sjaldgæfum atburðum sömuleiðis. Að auki mun það krefjast mikils framboðs þeirra til að greina eiginleika Higgs-bósonsins. Eftir uppfærsluna gæti heildarfjöldi Higgs-bósóna sem framleiddir eru á einu ári verið um það bil 5 sinnum meiri en nú; og á sama tíma geta heildargögn skráð verið meira en 20 sinnum.

Með fyrirhugaðri birtustyrk (mæling á fjölda róteinda sem fara yfir á flatareiningu á tímaeiningu) HL-LHC, munu tilraunirnar geta skráð um 25 sinnum fleiri gögn á sama tímabili og fyrir LHC í gangi. Geislinn í LHC hefur um 2.800 hópa, sem hver um sig inniheldur um 115 milljarða róteinda. HL-LHC mun hafa um 170 milljarða róteinda í hverjum hópi, sem stuðlar að aukningu á birtustigi um stuðulinn 1,5.

Hvernig verður það uppfært?

Róteindunum er haldið saman í hópnum með því að nota sterk segulsvið af sérstöku tagi, mynduð með fjórpóla seglum. Til að einbeita hópnum í minni stærð þarf sterkari svið og þar af leiðandi meiri strauma, sem krefst þess að nota ofurleiðara snúrur. Nýrri tækni og nýtt efni (Niobium-tin) verður notað til að framleiða nauðsynleg sterk segulsvið sem eru 1,5 sinnum núverandi svið (8-12 tesla).

Verið er að prófa að búa til langar spólur fyrir slík svið. Nýr búnaður verður settur upp yfir 1,2 km af 27 km LHC hringnum nálægt helstu tilraununum tveimur (ATLAS og CMS), til að einbeita sér og kreista hópana rétt áður en þeir fara yfir.

Notaðir verða hundrað metra kaplar úr ofurleiðandi efni (ofurleiðandi hlekkur) sem geta borið allt að 100.000 ampera til að tengja aflbreytana við inngjöfina. LHC fær róteindin úr hröðunarkeðju, sem einnig þarf að uppfæra til að uppfylla kröfur um mikla birtu.

Þar sem lengd hvers hóps er nokkrir cm, til að fjölga árekstrum, er verið að halla örlítið í hópana rétt fyrir árekstrana til að auka áhrifaríkt skörunarsvæði. Þetta er gert með því að nota „krabbahol“.

Tilraunaeðlisfræðisamfélagið á Indlandi hefur tekið virkan þátt í tilraununum ALICE og CMS. HL-LHC mun þurfa uppfærslu á þessum líka. Bæði hönnun og framleiðsla nýju skynjaranna og gagnagreiningin í kjölfarið mun hafa verulegt framlag frá indversku vísindamönnunum.

Deildu Með Vinum Þínum: