Η έλλειψη ανακαλύψεων βλάπτει τις προοπτικές για τον επόμενο μεγάλο επιταχυντή σωματιδίων
Οι φυσικοί των σωματιδίων ανησυχούν που δεν ξέρουν ποιος θα είναι ο επόμενος επιταχυντής τους ή πού να τον κατασκευάσουν. Η Ευρώπη, η Κίνα και η Ιαπωνία έχουν κυκλοφορήσει σχέδια για έναν διάδοχο του τρέχοντος μεγαλύτερου επιταχυντή ατόμου, του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN, το εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής της Ευρώπης κοντά στη Γενεύη της Ελβετίας. Ωστόσο, η ανησυχητική έλλειψη ανακαλύψεων του LHC καθιστά δύσκολο για τους φυσικούς να συγκεντρώσουν υποστήριξη για τα μεγάλα έργα από τις κυβερνήσεις ή τους συναδέλφους τους.
Η διάδοχος μηχανή που πιστεύεται ότι είναι πιο κοντά στο χέρι, ο Διεθνής Γραμμικός Επιταχυντής (ILC), φέρνει αυτές τις ανησυχίες στο κεφάλι. Μέχρι τη στιγμή που τα μέλη του Linear Collider Board συναντηθούν στο Τόκιο στις 7 Μαρτίου, η κυβέρνηση της Ιαπωνίας αναμένεται να έχει εκδώσει μια δήλωση σχετικά με το εάν θα φιλοξενήσει τη μηχανή των 7,5 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Οι φυσικοί κρατούν τη συλλογική τους ανάσα. Μετά από μια κριτική έκθεση που δημοσιεύθηκε τον Δεκέμβριο του 2018 από το Επιστημονικό Συμβούλιο της Ιαπωνίας (SCJ), ακόμη και ένας υπαινιγμός επίσημης υποστήριξης θα ευχαριστούσε ορισμένους υποστηρικτές του ILC. "Αν η δήλωση είναι όπως:"Θα θέλαμε να φιλοξενήσουμε το ILC, υπό την προϋπόθεση ότι οι διεθνείς διαπραγματεύσεις είναι επιτυχείς", θα ήταν πολύ θετικό", λέει ο Hitoshi Yamamoto, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Tohoku στο Sendai της Ιαπωνίας.
Μόλις πριν από 7 χρόνια, οι φυσικοί των σωματιδίων χάρηκαν με την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs ανάμεσα στα συντρίμμια των συγκρούσεων πρωτονίων στον LHC. Το Higgs ήταν το τελευταίο κομμάτι που έλειπε στο καθιερωμένο μοντέλο των φυσικών στοιχειωδών σωματιδίων και δυνάμεων και ο κρίκος στην εξήγησή τους για το πώς όλα τα θεμελιώδη σωματίδια αποκτούν τη μάζα τους. Αλλά πολλοί ήλπιζαν να βρουν νέα σωματίδια και δυνάμεις που δεν είχαν προβλεφθεί από το τυπικό μοντέλο. Για αυτόν τον λόγο, το LHC μέχρι στιγμής έχει βγει κενό.
Πολλοί φυσικοί έχουν από καιρό υποστηρίξει ότι η επόμενη μεγάλη μηχανή τους θα πρέπει να είναι ένας γραμμικός επιταχυντής που χτυπά ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια μαζί. Αυτά τα σημειακά σωματίδια παράγουν συγκρούσεις που είναι πολύ πιο εύκολο να ερμηνευτούν από τις συγκρούσεις πρωτονίων, τα οποία είναι τα ίδια σάκοι υποατομικών σωματιδίων. Έτσι, ένας γραμμικός επιταχυντής θα ήταν ιδανικός για μια ανάλυση ακριβείας τυχόν νέων σωματιδίων που ανακαλύφθηκαν από τον LHC. Το 2003, ομάδες στις Ηνωμένες Πολιτείες, την Ευρώπη και την Ιαπωνία ένωσαν τις δυνάμεις τους για να προτείνουν το ILC:δύο ευθύγραμμοι επιταχυντές στεγασμένοι σε μια σήραγγα μήκους 31 χιλιομέτρων που θα έσπασαν ηλεκτρόνια σε ποζιτρόνια με ενέργειες έως και 500 giga-ηλεκτρονιοβολτ (GeV) .
Αλλά όταν οι φυσικοί ολοκλήρωσαν ένα βασικό σχέδιο το 2007, οι Ηνωμένες Πολιτείες απαγόρευσαν την τιμή των 14 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Η Ιαπωνία αναδείχθηκε ως ο πιθανός οικοδεσπότης μετά τον σεισμό και το τσουνάμι στο Τοχόκου του 2011, όταν οι υποστηρικτές ήλπιζαν ότι η κυβέρνηση θα χρηματοδοτούσε το έργο ως μέρος μιας οικονομικής τόνωσης. Ο σχεδιασμός αργότερα μειώθηκε όταν η ανακάλυψη Higgs αποκάλυψε ότι μια φθηνότερη μηχανή μήκους 20 χιλιομέτρων, ικανή να φτάσει τα 250 GeV, θα αρκούσε για να δημιουργήσει πολλά από αυτά τα σωματίδια.
Ως «εργοστάσιο Higgs», το ILC θα βοηθούσε τους φυσικούς να μετρήσουν τους ρυθμούς ή τις «αναλογίες διακλάδωσης» με τους οποίους το Higgs διασπάται σε γνωστά σωματίδια. Οι αποκλίσεις από τις τυπικές προβλέψεις μοντέλων θα οδηγούσαν σε νέα φυσική. Αν και αυτή η επιστήμη είναι συμπαγής, είναι επίσης λιγότερο συναρπαστική από την αναζήτηση νέων σωματιδίων, λένε ορισμένοι φυσικοί. "Το να ξοδεύετε 30 χρόνια μετρώντας τις αναλογίες διακλάδωσης Higgs πιθανότατα δεν πρόκειται να αρπάξει τους ανθρώπους", λέει ο George Gollin, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Ιλινόις στην Ουρμπάνα.
Στην έκθεσή της τον Δεκέμβριο, η SCJ εξέφρασε παρόμοιες επιφυλάξεις, σημειώνοντας τις ανεπίλυτες τεχνολογικές προκλήσεις του έργου και αμφισβητώντας εάν "το μελλοντικό επιστημονικό αποτέλεσμα ... είναι αρκετό για να δικαιολογήσει το μεγάλο μερίδιο της Ιαπωνίας στο συνολικό κόστος."
Συγκρουόμενα όνειρα
Η κυβέρνηση μπορεί να συνεχίσει να προσφέρει τη φιλοξενία του ILC για λόγους πέρα από την επιστημονική απόδοση. Το ILC θα ήταν η πρώτη πραγματικά διεθνής επιστημονική εγκατάσταση στην Ιαπωνία και θα έκανε τη χώρα κέντρο για την επιταχυντική φυσική για δεκαετίες. Η υποψήφια τοποθεσία, στα όρη Kitakami που εκτείνονται στους νομούς Iwate και Miyagi, βρίσκεται σε μια περιοχή που επωμίστηκε το μεγαλύτερο βάρος του σεισμού του 2011. Η πιθανή ώθηση στην περιφερειακή οικονομία δεν πέρασε απαρατήρητη:περιφερειακοί εκπρόσωποι στο Diet, το εθνικό κοινοβούλιο, σχημάτισαν μια ομάδα προώθησης της ILC, όπως και τα βιομηχανικά συμφέροντα.
Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο "άνθρωποι εκτός της επιστημονικής κοινότητας υποστηρίζουν τόσο σθεναρά" το ILC, λέει ο Yasuhiro Okada, θεωρητικός φυσικός και αναπληρωτής επικεφαλής του γραφείου σχεδιασμού του ILC στον Ερευνητικό Οργανισμό Επιταχυντή Υψηλής Ενέργειας στην Tsukuba της Ιαπωνίας. Τις τελευταίες 6 εβδομάδες, μια σταθερή ροή δημοτικών συμβουλίων, ομάδων πολιτών και εμπορικών επιμελητηρίων παρουσίασε επιστολές υποστήριξης για το ILC σε αξιωματούχους του κυβερνώντος Φιλελεύθερου Δημοκρατικού Κόμματος, σύμφωνα με τοπικές ειδήσεις.
Όμως, το περιορισμένο πεδίο εφαρμογής ενός εργοστασίου Higgs έχει ως αποτέλεσμα ερευνητές τόσο στην Κίνα όσο και στην Ευρώπη να εξετάζουν σχέδια για πιο φιλόδοξες μηχανές. Τον Νοέμβριο του 2018, η Κίνα αποκάλυψε τα σχέδια για έναν προτεινόμενο Επιταχυντή Ποζιτρονίων Κυκλικών Ηλεκτρονίων (CEPC), μια μηχανή 5 δισεκατομμυρίων δολαρίων με περιφέρεια 100 χιλιομέτρων. Για να μην μακρηγορούμε, τον Ιανουάριο το CERN κυκλοφόρησε ένα εννοιολογικό σχέδιο για τον δικό του κυκλικό επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων μήκους 100 χιλιομέτρων.
Επειδή τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια εκπέμπουν άφθονες ακτίνες Χ καθώς κάμπτονται γύρω από έναν δακτύλιο, οι κυκλικοί επιταχυντές θα λειτουργούσαν πολύ λιγότερο αποτελεσματικά από έναν γραμμικό επιταχυντή. Ωστόσο, θα είχαν ένα πλεονέκτημα:Οι σήραγγες θα μπορούσαν αργότερα να χρησιμοποιηθούν για έναν νέο επιταχυντή πρωτονίων που θα ανέβαζε τα σωματίδια σε ενέργειες επτά φορές υψηλότερες από αυτές του LHC, αυξάνοντας τη δυνατότητα ανακάλυψης νέων σωματιδίων. Ένας γραμμικός επιταχυντής δεν θα μπορούσε να μετατραπεί σε τέτοιου είδους θρυμματιστή πρωτονίων, επειδή με το πέρασμά τους από τη μηχανή, τα πρωτόνια δεν μπορούσαν να φτάσουν σε τέτοιες ενέργειες.
Η κατασκευή του CEPC εξαρτάται από τη χρηματοδότηση στο πλαίσιο του επόμενου 5ετούς σχεδίου της Κίνας, το οποίο ξεκινά το 2021. «Είναι ακόμη πολύ νωρίς για να λάβουμε οποιαδήποτε απάντηση από τους οργανισμούς χρηματοδότησής μας», λέει ο Wang Yifang, διευθυντής του Ινστιτούτου Υψηλής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών Energy Physics στο Πεκίνο, που ηγείται του έργου. Και όπως το ILC, το CEPC αντιμετωπίζει ερωτήματα σχετικά με το κόστος και την επιστημονική απόδοση. Αλλά η Κίνα μπορεί να είναι πρόθυμη να δείξει στον υπόλοιπο κόσμο ότι μπορεί να φιλοξενήσει μια τέτοια διεθνή συνεργασία, λέει ο Young-Kee Kim, φυσικός σωματιδίων στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο στο Ιλινόις και πρώην αναπληρωτής διευθυντής του Εθνικού Εργαστηρίου Επιταχυντή Fermi (Fermilab) στη Batavia. , Ιλινόις. "Θέλουν να δείξουν στον κόσμο τη δύναμή τους."
Φυσικά, οι αμφιβολίες σχετικά με την επιστημονική περίπτωση για τον επόμενο επιταχυντή θα μπορούσαν να εξατμιστούν εάν ο LHC όντως δημιουργήσει νέα σωματίδια. Το μηχάνημα, το οποίο θα λειτουργεί μέχρι τη δεκαετία του 2030, έχει συλλέξει μόλις το ένα δέκατο των συνολικών προγραμματισμένων δεδομένων του. Δεδομένου αυτού του γεγονότος, ορισμένοι φυσικοί λένε ότι δεν υπάρχει βιασύνη να αποφασίσουμε για την επόμενη μηχανή.
Εάν ένα εργοστάσιο Higgs δεν υλοποιηθεί, μπορεί να υπάρχει ακόμα δρόμος προς τα εμπρός. Ορισμένοι ερευνητές του CERN θέλουν να αντικαταστήσουν τον LHC με έναν επιταχυντή που έχει διπλάσιους ισχυρότερους μαγνήτες καθοδήγησης σωματιδίων. Αυτό θα διπλασίαζε την ενέργεια του LHC χωρίς το κόστος μιας νέας σήραγγας. Αν και αυτό το σχέδιο είναι λιγότερο φιλόδοξο, λέει ο Robert Roser, ένας φυσικός Fermilab, "Αυτό θα έκανα."
