V roce 2012 vědci z CERNu objevili na velkém hadronovém urychlovači (LHC-Large Hadron Collider) Higgsův boson, chybějící částici, kterou předpověděl Standardní model částicové fyziky.
Minulý měsíc se po dvouleté odstávce urychlovač LHC opět rozeběhl. Při druhé fázi jeho provozu bude srážet protony při energiích dosahujících 13 TeV, což je téměř dvojnásobek energie, které urychlovač dosáhl v první fázi provozu.
„Nevíme co dalšího objevíme, což dělá další fázi provozu LHC tak vzrušující,“ uvedla fyzička Daniela Bortolettová z katedry fyziky univerzity Oxford, která je členem týmu pracujícím na experimentu ATLAS na LHC. „Doufáme, že konečně objevíme nějaké praskliny ve Standardním modelu částicové fyziky, neboť existuje celá řada otázek kolem našeho vesmíru, které tato teorie nezodpovídá.“
Jedna z největších dosud nezodpovězených otázek se týká temné hmoty, neviditelné „věci“, která podle astrofyziků tvoří více než 80 % hmotnosti vesmíru. Zatím se nikomu nepodařilo identifikovat částice temné hmoty. V současné době si fyzikové myslí, že za temnou hmotou by mohly stát nejlehčí supersymetrické částice.
„Ve druhé fázi provozu bychom možná mohli díky největším energiím srážek, jaké jsme kdy měli k dispozici, laboratorně vytvořit temnou hmotu,“ uvedla fyzička Daniela Bortolettová. „Pokud se temná hmota skutečně skládá z nejlehčích supersymetrických částic, pak bychom mohli objevit i mnoho dalších supersymetrických částic, neboť teorie supersymetrie předpovídá, že každá částice Standardního modelu částicové fyziky má svého supersymetrického partnera.“
Další velká otázka se týká antihmoty. V raném vesmíru bylo stvořeno stejné množství hmoty a antihmoty, ale v současném vesmíru drtivě převládá hmota.
„Dosud nevíme, co způsobilo vznik této asymetrie,“ vysvětluje Bortolettová. „Konečně jsme objevili Higgsův boson: zvláštní částici, která má nulový spin a která by se mohla rozpadat na částice temné hmoty. Dokonce by nám možná mohla pomoci i se zodpovězením otázky, proč v současném vesmíru převládá hmota.“
Objevení Higgsova bosonu byl pro LHC a fyziky obrovský úspěch, avšak teď je nutné této částici ještě řádně porozumět, což je podle spousty fyziků proces ještě více vzrušující, než jeho samotné objevení.
„Higgsův boson je opravdu fascinující částicí,“ prohlásila Bortolettová. „Spin vysvětluje chování elementárních částic: částice hmoty jako například elektrony mají poločíselný spin, tedy ½, 3/2 atd., zatímco částice polí, jako jsou například fotony, které jsou zodpovědné za elektromagnetické interakce, mají celočíselný spin. Částice s poločíselným spinem se podřizují tzv. Pauliho principu, kvůli kterému nemůžou být žádné dva elektrony ve stejném kvantovém stavu.“
„Higgsův boson je první částicí s nulovým spinem, nebo jak by mohli říct fyzici, první “skalární částicí“. Higgsův boson tak není ani částice hmoty, ani částice silového pole.“
Higgsův boson by mohl mít vzhledem ke své povaze vliv i na rozpínání vesmíru a na energii vakua. Dále by pak také mohl vysvětlovat hmotnost elementárních částic.
Bortolettová uvedla: „Díky tomu, že elektron má díky Higgsově bosonu hmotnost, mohou být vytvořeny atomy a díky tomu tedy existujeme i my. Ale proč mají elementární částice tak rozdílnou hmotnost? Data z druhé fáze provozu urychlovače LHC nám umožní s větší přesností studovat rozpad Higgsova bosonu a přímo měřit jeho vazbu s kvarky. Druhá fáze provozu LHC nám také umožní hledat další částice podobné Higgsovu bosonu a určit, zda se Higgsův boson rozpadá na temnou hmotu.“
Daniela Bortolettová je jedním ze 13 akademiků z univerzity v Oxfordu pracujících na projektu ATLAS za podpory postgraduálních studentů, inženýrů a technických a počítačových týmů. Skupina vědců z Oxfordu hraje hlavní roli v provozování jedné z hlavních vnitřních částí detektoru ATLAS – SemiConductor Tracker (SCT), přičemž většina tohoto zařízení byla sestavena v laboratořích v Oxfordu. SCT poskytuje informace o trajektorii částic, které jsou produkovány, když se srazí svazky částic v LHC. Tato část detektoru byla naprosto klíčová k objevení Higgsova bosonu.
Přestože tým z Oxfordu bude v následujících několika letech zaneprázdněn výzkumem z dat, které poskytne nová fáze provozu LHC na vyšších energiích, již nyní vyhlíží rok 2025, kdy bude zvýšena zářivost svazků v LHC.
V urychlovači LHC koluje 1380 svazků protonů, přičemž každý z nich obsahuje téměř miliardu těchto částic. V LHC pak nastává zhruba 40 milionů srážek za sekundu. To znamená, že pokaždé kdy se setkají dva svazky protonů, nenastane pouze jedna ale mnoho hromadných kolizí, čemuž se říká pile-up efekt.
Poté co bude vylepšena zářivost LHC, se také zvýší množství srážek na pěti až desetinásobek současné hodnoty. „V první fázi provozu LHC produkoval urychlovač maximálně 37 pile-up kolizí při jednom křížení svazků. Po úpravě LHC na High Luminosity LHC (HL-LHC) se toto číslo zvýší na 140 pile-up kolizí při každém křížení svazků,“ vysvětluje Bortolettová.
S výhledem na úpravu urychlovače na HL-LHC, který bude generovat mnohem více kolizí, mezinárodní tým vedený univerzitou v Oxfordu již nyní navrhuje a vytváří prototypy součástí nového SCT, který bude nutný k rekonstrukci komplexní sítě rozpadových trajektorií zaznamenaných uvnitř detektoru.
Zlepšení výkonu i zářivosti LHC slibuje přinést vědcům pracujících na experimentech jako je ATLAS odpovědi na některé z největších otázek fyziky. Jedna věc je však jistá: tato “nová fyzika“ také povede k vytvoření celé řady nových otázek okolo hmoty, která tvoří nejen nás, ale i celý vesmír.
Zdroj: Phys.org
