Niemand legt sich mit dem Large Hadron Collider an. Es ist der höchste Teilchenzerstörer der Gegenwart, und nichts kann seine Energiefähigkeiten oder seine Fähigkeit, die Grenzen der Physik zu studieren, berühren. Aber alle Herrlichkeit ist vergänglich und nichts hält für immer an. Irgendwann um 2035 gehen die Lichter an diesem 27 Kilometer langen Stromring aus. Was kommt danach?
Konkurrierende Gruppen auf der ganzen Welt drängen sich um finanzielle Unterstützung, um ihre Ideen für Haustiercollider zur nächsten großen Sache zu machen. Ein Design wurde am 13. August in einem Artikel im Preprint-Journal arXiv beschrieben. Bekannt als Compact Linear Collider (oder CLIC, weil das niedlich ist), scheint die vorgeschlagene massive subatomare Schienenkanone der Spitzenreiter zu sein. Was ist die wahre Natur des Higgs-Bosons? In welcher Beziehung steht es zum Top-Quark? Können wir Hinweise auf die Physik finden, die über das Standardmodell hinausgehen? CLIC kann diese Fragen möglicherweise beantworten. Es handelt sich nur um einen Partikelcollider, der länger als Manhattan ist.
Subatomares Drag Racing
Der Large Hadron Collider (LHC) zerschmettert etwas schwere Partikel, die als Hadronen bekannt sind (daher der Name der Anlage). Du hast ein paar Hadronen in deinem Körper; Protonen und Neutronen sind die häufigsten Vertreter dieses mikroskopischen Clans. Am LHC drehen sich die Hadronen in einem riesigen Kreis, bis sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern und anfangen zu zerschlagen. Obwohl beeindruckend - der LHC erreicht Energien, die von keinem anderen Gerät auf der Erde erreicht werden können - ist die ganze Angelegenheit ein bisschen chaotisch. Immerhin sind Hadronen Konglomeratpartikel, nur Säcke mit anderen, winzigeren, grundlegenderen Dingen, und wenn Hadronen zerschlagen, verschütten alle ihre Eingeweide überall, was die Analyse kompliziert macht.
Im Gegensatz dazu ist CLIC viel einfacher, sauberer und chirurgischer gestaltet. Anstelle von Hadronen beschleunigt CLIC Elektronen und Positronen, zwei leichte, fundamentale Teilchen. Und dieser Smasher beschleunigt Partikel in einer geraden Linie zwischen 11 und 50 km (7 bis 31 Meilen), abhängig von der endgültigen Konstruktion, direkt im Lauf.
All diese Großartigkeit wird nicht auf einmal passieren. Der derzeitige Plan sieht vor, dass CLIC 2035 mit geringerer Kapazität in Betrieb genommen wird, genau dann, wenn der LHC heruntergefahren wird. CLIC der ersten Generation wird mit nur 380 Gigaelektronvolt (GeV) betrieben, weniger als ein Dreißigstel der maximalen Leistung des LHC. Tatsächlich ist sogar die volle Betriebsleistung von CLIC, die derzeit auf 3 Teraelektronvolt (TeV) ausgerichtet ist, weniger als ein Drittel dessen, was der LHC jetzt leisten kann.
Wenn ein fortschrittlicher Partikelcollider der nächsten Generation nicht übertreffen kann, was wir heute tun können, worum geht es dann?
Higgs Jäger
Die Antwort von CLIC lautet, intelligenter und nicht härter zu arbeiten. Eines der wichtigsten wissenschaftlichen Ziele des LHC war es, das Higgs-Boson zu finden, das lang ersehnte Teilchen, das anderen Teilchen ihre Masse verleiht. In den 1980er und 1990er Jahren, als der LHC entworfen wurde, waren wir uns nicht sicher, ob der Higgs überhaupt existiert, und wir hatten keine Ahnung, wie seine Masse und andere Eigenschaften waren. Wir mussten also ein Allzweckinstrument bauen, das viele Arten von Interaktionen untersuchen konnte, die alle potenziell ein Higgs enthüllen konnten.
Und wir haben es getan. Hurra!
Aber jetzt, da wir wissen, dass das Higgs eine echte Sache ist, können wir unsere Collider auf eine viel engere Reihe von Interaktionen einstellen. Dabei wollen wir so viele Higgs-Bosonen wie möglich herstellen, jede Menge saftiger Daten sammeln und viel mehr über dieses mysteriöse, aber grundlegende Teilchen erfahren.
Und hier kommt vielleicht das seltsamste Stück Physikjargon, dem Sie diese Woche wahrscheinlich begegnen werden: Higgsstrahlung. Ja, das hast du richtig gelesen. In der Teilchenphysik gibt es einen Prozess, der als Bremsstrahlung bekannt ist. Dies ist eine einzigartige Art von Strahlung, die von einem Bündel heißer Teilchen erzeugt wird, die in einer winzigen Kiste zusammengepfercht sind. Wenn Sie ein Elektron in eine Position mit hohen Energien bringen, zerstören sie sich analog in einem Schauer von Energie und neuen Teilchen, darunter ein Z-Boson, gepaart mit einem Higgs. Daher Higgsstrahlung.
Bei 380 Gev wird der CLIC eine außergewöhnliche Higgsstrahlungsfabrik sein.
Jenseits des Top-Quarks
In der neuen Arbeit erläuterte Aleksander Filip Zarnecki, Physiker an der Universität Warschau in Polen und Mitglied der CLIC-Zusammenarbeit, den aktuellen Stand des Anlagenentwurfs anhand ausgefeilter Simulationen der Detektoren und Partikelkollisionen.
Die Hoffnung bei CLIC ist, dass wir durch die einfache Herstellung möglichst vieler Higgs-Bosonen in einer sauberen, leicht zu untersuchenden Umgebung mehr über das Partikel erfahren können. Gibt es mehr als ein Higgs? Reden sie miteinander? Wie stark interagieren die Higgs mit allen anderen Teilchen des Standardmodells, der Haupttheorie der subatomaren Physik?
Die gleiche Philosophie wird auf den Top-Quark angewendet, den am wenigsten verstandenen und seltensten der Quarks. Sie haben wahrscheinlich nicht viel über den Top-Quark gehört, weil er eine Art Einzelgänger ist - es war der letzte Quark, der entdeckt wurde, und wir sehen ihn nur selten. Bereits in der Anfangsphase wird CLIC rund 1 Million Top-Quarks herstellen, was eine statistische Leistung bietet, die bei Verwendung des LHC und anderer moderner Collider unbekannt ist. Von dort aus hofft das Team hinter CLIC zu untersuchen, wie die Top-Quark-Partikel zerfallen, was sehr selten vorkommt. Aber mit einer Million von ihnen können Sie vielleicht etwas lernen.
Aber das ist nicht alles. Sicher, es ist eine Sache, die Higgs und den Top-Quark zu verfeinern, aber das intelligente Design von CLIC ermöglicht es ihm, die Grenzen des Standardmodells zu überschreiten. Bisher ist der LHC auf der Suche nach neuen Teilchen und neuer Physik trocken geworden. Obwohl wir noch viele Jahre Zeit haben, um uns zu überraschen, schwindet die Hoffnung im Laufe der Zeit.
Durch die Rohproduktion von unzähligen Higgs-Bosonen und Top-Quarks kann CLIC nach Hinweisen auf neue Physik suchen. Wenn es da draußen exotische Partikel oder Wechselwirkungen gibt, kann dies das Verhalten, den Zerfall und die Wechselwirkungen dieser beiden Partikel auf subtile Weise beeinflussen. CLIC kann sogar das Teilchen produzieren, das für die Dunkle Materie verantwortlich ist, diese mysteriöse, unsichtbare Materie, die den Lauf des Himmels verändert. Die Einrichtung kann dunkle Materie natürlich nicht direkt sehen (weil es dunkel ist), aber Physiker können erkennen, wenn Energie oder Impuls bei den Kollisionsereignissen verloren gegangen sind, ein sicheres Zeichen dafür, dass etwas Funkiges vor sich geht.
Wer weiß, was CLIC entdecken könnte? Aber egal was passiert, wir müssen über den LHC hinausgehen, wenn wir eine gute Chance haben wollen, die bekannten Teilchen unseres Universums zu verstehen und einige neue aufzudecken.
Paul M. Sutter ist Astrophysiker bei Die Ohio State University, Gastgeber von "Fragen Sie einen Raumfahrer" und "Weltraumradio, "und Autor von"Dein Platz im Universum."
