რა მოაქვს განახლებას CERN-ში

აღმოჩენიდან ექვსი წლის შემდეგ, ჰიგსის ბოზონი ადასტურებს წინასწარმეტყველებას. მალე დიდი ადრონული კოლაიდერის განახლება საშუალებას მისცემს CERN-ის მეცნიერებს ამ ნაწილაკების მეტი აწარმოონ ფიზიკის სტანდარტული მოდელის შესამოწმებლად.

ATLAS-ის კანდიდატი მოვლენა ჰიგსის ბოზონისთვის (H) დაშლის ორ ქვედა კვარკამდე (b), ასოცირდება W ბოზონთან, რომელიც იშლება მიონამდე (μ) და ნეიტრინომდე (ν). (სურათი: ATLAS/CERN)

დაწერილი რაშმი რანივალა და სუდირ რანივალა

ექვსი წლის შემდეგ, რაც ჰიგსის ბოზონი CERN-ის დიდ ადრონულ კოლაიდერში (LHC) აღმოაჩინეს, ნაწილაკების ფიზიკოსებმა გასულ კვირას განაცხადეს, რომ მათ დააკვირდნენ, როგორ იშლება აურზაური ნაწილაკი. ATLAS-ისა და CMS-ის თანამშრომლობის მიერ წარმოდგენილ აღმოჩენამ დააფიქსირა ჰიგსის ბოზონის დაშლა ფუნდამენტურ ნაწილაკებად, რომლებიც ცნობილია როგორც ქვედა კვარკები.

2012 წელს ჰიგსის ბოზონის ნობელის ლაურეატი აღმოჩენამ დაადასტურა ფიზიკის სტანდარტული მოდელი, რომელიც ასევე პროგნოზირებს, რომ შემთხვევების დაახლოებით 60%-ში ჰიგსის ბოზონი იშლება ქვედა კვარკების წყვილამდე. CERN-ის თანახმად, ამ პროგნოზის ტესტირება გადამწყვეტია, რადგან შედეგი ან მხარს დაუჭერს სტანდარტულ მოდელს - რომელიც აგებულია იმ აზრზე, რომ ჰიგსის ველი ანიჭებს კვარკებს და სხვა ფუნდამენტურ ნაწილაკებს მასით - ან დაარღვევს მის საფუძველს და მიუთითებს ახალ ფიზიკაზე.

ჰიგსის ბოზონი აღმოაჩინეს სხვადასხვა ენერგიების ნაწილაკების შეჯახების შესწავლით. მაგრამ ისინი გრძელდება მხოლოდ ერთი ზეპტოწამი, რაც არის 0.0000000000000000000001 წამი, ამიტომ მათი თვისებების აღმოჩენა და შესწავლა მოითხოვს წარმოუდგენელ ენერგიას და მოწინავე დეტექტორებს. ცერნმა ამ წლის დასაწყისში გამოაცხადა, რომ მასიური განახლება ხდება, რომელიც დასრულდება 2026 წლისთვის.

რატომ შეისწავლეთ ნაწილაკები?

ნაწილაკების ფიზიკა იკვლევს ბუნებას ექსტრემალურ მასშტაბებში, რათა გაიგოს მატერიის ფუნდამენტური კომპონენტები. ისევე, როგორც გრამატიკა და ლექსიკა წარმართავს (და ზღუდავს) ჩვენს კომუნიკაციას, ნაწილაკები ერთმანეთთან ურთიერთობენ გარკვეული წესების შესაბამისად, რომლებიც ჩართულია „ოთხ ფუნდამენტურ ურთიერთქმედებაში“. ნაწილაკები და ამ ურთიერთქმედებიდან სამი წარმატებით არის აღწერილი ერთიანი მიდგომით, რომელიც ცნობილია როგორც სტანდარტული მოდელი. SM არის ჩარჩო, რომელიც მოითხოვდა ნაწილაკის არსებობას, რომელსაც ჰიგსის ბოზონი ჰქვია და LHC-ის ერთ-ერთი მთავარი მიზანი იყო ჰიგსის ბოზონის ძებნა.

როგორ არის შესწავლილი ასეთი პატარა ნაწილაკები?

პროტონები გროვდება მტევნად, აჩქარებულია სინათლის სიჩქარემდე და ხდება შეჯახება. ბევრი ნაწილაკი წარმოიქმნება ასეთი შეჯახების შედეგად, რომელსაც უწოდებენ მოვლენას. აღმოცენებული ნაწილაკები აჩვენებენ აშკარად შემთხვევით ნიმუშს, მაგრამ მიჰყვებიან ფუძემდებლურ კანონებს, რომლებიც არეგულირებენ მათი ქცევის ნაწილს. ამ ნაწილაკების ემისიის ნიმუშების შესწავლა დაგვეხმარება გავიგოთ ნაწილაკების თვისებები და სტრუქტურა.

თავდაპირველად, LHC უზრუნველყოფდა შეჯახებებს უპრეცედენტო ენერგიებით, რაც საშუალებას გვაძლევდა ფოკუსირება ახალი ტერიტორიების შესწავლაზე. მაგრამ, ახლა დროა გავზარდოთ LHC-ის აღმოჩენის პოტენციალი მოვლენების უფრო დიდი რაოდენობის ჩაწერით.

(წყარო: CERN)

მაშ, რას ნიშნავს განახლება?

ჰიგსის ბოზონის აღმოჩენის შემდეგ აუცილებელია ახლად აღმოჩენილი ნაწილაკების თვისებების და ყველა სხვა ნაწილაკზე გავლენის შესწავლა. ამისათვის საჭიროა ჰიგსის ბოზონების დიდი რაოდენობა. SM-ს აქვს თავისი ნაკლოვანებები და არის ალტერნატიული მოდელები, რომლებიც ავსებენ ამ ხარვეზებს. ამ და სხვა მოდელების ვალიდობა, რომლებიც უზრუნველყოფენ SM-ის ალტერნატივას, შეიძლება შემოწმდეს ექსპერიმენტებით მათი პროგნოზების შესამოწმებლად. ზოგიერთი წინასწარმეტყველება, მათ შორის ბნელი მატერიის სიგნალები, სუპერსიმეტრიული ნაწილაკები და ბუნების სხვა ღრმა საიდუმლოებები, ძალზე იშვიათია და, შესაბამისად, ძნელი დასაკვირვებელია, რაც კიდევ უფრო მოითხოვს მაღალი განათების LHC (HL-LHC) საჭიროებას.

წარმოიდგინეთ, რომ ცდილობთ იპოვოთ ალმასის იშვიათი ჯიშის ძალიან დიდი რაოდენობით აშკარად მსგავსი გარეგნობის ნაჭრები. სასურველი ალმასის მოსაძებნად საჭირო დრო დამოკიდებული იქნება შესამოწმებლად დროის ერთეულზე მოწოდებული ნაჭრების რაოდენობაზე და შემოწმების დროს დახარჯულ დროზე. ამ დავალების უფრო სწრაფად დასასრულებლად, ჩვენ უნდა გავზარდოთ მოწოდებული ნაწილების რაოდენობა და უფრო სწრაფად შევამოწმოთ. ამ პროცესში შესაძლოა აღმოჩენილი იქნას ბრილიანტის რამდენიმე ახალი ნაჭერი, აქამდე შეუმჩნეველი და უცნობი, რაც ცვლის ჩვენს თვალსაზრისს ბრილიანტის იშვიათი ჯიშების შესახებ.

განახლების შემდეგ, შეჯახების სიხშირე გაიზრდება და ასევე გაიზრდება ყველაზე იშვიათი მოვლენების ალბათობა. გარდა ამისა, ჰიგსის ბოზონის თვისებების გარჩევა მოითხოვს მათ უამრავ მარაგს. განახლების შემდეგ, ერთ წელიწადში წარმოებული ჰიგსის ბოზონების საერთო რაოდენობა შეიძლება იყოს დაახლოებით 5-ჯერ ვიდრე ამჟამად წარმოებული რაოდენობა; და იმავე ხანგრძლივობით, მთლიანი ჩაწერილი მონაცემები შეიძლება იყოს 20-ჯერ მეტი.

HL-LHC-ის შემოთავაზებული სიკაშკაშით (პროტონების რაოდენობის გადაკვეთა ერთეულ ფართობზე დროის ერთეულზე) HL-LHC-ს შეუძლია 25-ჯერ მეტი მონაცემების ჩაწერა იმავე პერიოდში, როგორც LHC-ის გაშვებისას. LHC-ის სხივს აქვს დაახლოებით 2800 მტევანი, რომელთაგან თითოეული შეიცავს დაახლოებით 115 მილიარდ პროტონს. HL-LHC-ს ექნება დაახლოებით 170 მილიარდი პროტონი თითოეულ თაიგულში, რაც ხელს უწყობს სიკაშკაშის ზრდას 1,5-ჯერ.

როგორ მოხდება მისი განახლება?

პროტონები ერთად ინახება მტევანში, სპეციალური ტიპის ძლიერი მაგნიტური ველების გამოყენებით, რომლებიც წარმოიქმნება ოთხპოლუსიანი მაგნიტების გამოყენებით. მტევნის უფრო მცირე ზომის ფოკუსირება მოითხოვს უფრო ძლიერ ველებს და, შესაბამისად, უფრო დიდ დენებს, რაც მოითხოვს სუპერგამტარი კაბელების გამოყენებას. ახალი ტექნოლოგიები და ახალი მასალა (ნიობიუმი-კალა) გამოყენებული იქნება საჭირო ძლიერი მაგნიტური ველების წარმოებისთვის, რომლებიც 1,5-ჯერ აღემატება დღევანდელ ველებს (8-12 ტესლა).

ასეთი ველებისთვის გრძელი ხვეულების შექმნა ტესტირებაშია. ახალი აღჭურვილობა დამონტაჟდება 27 კმ-იანი LHC რგოლის 1.2 კმ-ზე ორ მთავარ ექსპერიმენტთან (ATLAS და CMS) მტევნების გადაკვეთამდე.

ამაჩქარებელთან დენის გადამყვანების დასაკავშირებლად გამოყენებული იქნება სუპერგამტარი მასალის ასი მეტრიანი კაბელები (ზეგამტარი რგოლები), 100000 ამპერამდე სიმძლავრის გადასატანად. LHC იღებს პროტონებს ამაჩქარებლის ჯაჭვიდან, რომელიც ასევე საჭიროებს განახლებას მაღალი სიკაშკაშის მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად.

ვინაიდან თითოეული მტევნის სიგრძე რამდენიმე სმ-ია, შეჯახების რაოდენობის გასაზრდელად მტევნებში წარმოიქმნება მცირე დახრილობა შეჯახებამდე, რათა გაიზარდოს გადახურვის ეფექტური ფართობი. ეს კეთდება 'კრაბის ღრუების' გამოყენებით.

ინდოეთის ექსპერიმენტული ნაწილაკების ფიზიკის საზოგადოებამ აქტიურად მიიღო მონაწილეობა ექსპერიმენტებში ALICE და CMS. HL-LHC ასევე მოითხოვს მათ განახლებას. ახალი დეტექტორების დიზაინსა და დამზადებას და შემდგომ მონაცემთა ანალიზს ინდოელი მეცნიერების მნიშვნელოვანი წვლილი ექნება.

ᲒᲐᲣᲖᲘᲐᲠᲔᲗ ᲗᲥᲕᲔᲜᲡ ᲛᲔᲒᲝᲑᲠᲔᲑᲡ: