Marele colizor de hadron și frontiera fizicii

Știința fizicii particulelor privește foarte mult blocurile de materie - atomii și particulele care alcătuiesc o mare parte din materialul din cosmos. Este o știință complexă care necesită măsurători dureroase ale particulelor care se deplasează cu viteze mari. Această știință a obținut un impuls uriaș atunci când Big Hadron Collider (LHC) a început să funcționeze în septembrie 2008. Numele său sună foarte „științifico-ficțios”, dar cuvântul „colizor” explică exact ce face: trimite două fascicule de particule cu energie mare la aproape viteza luminii în jurul unui inel subteran lung de 27 de kilometri. La momentul potrivit, grinzile sunt obligate să „se ciocnească”. Protonii din grinzi se rup apoi și, dacă totul merge bine, bucăți și bucăți mai mici - numite particule subatomice - sunt create pentru scurte momente în timp. Acțiunile și existența lor sunt înregistrate. Din acea activitate, fizicienii învață mai multe despre componentele foarte fundamentale ale materiei.

LHC și fizica particulelor

LHC a fost construit pentru a răspunde unor întrebări incredibil de importante în fizică, aprofundându-se de unde vine masa, de ce cosmosul este făcut din materie în loc de „lucrurile” sale opuse numite antimaterie și ceea ce „chestiile” misterioase cunoscute drept materie întunecată ar putea fi. De asemenea, ar putea oferi indicii noi și importante despre condițiile din universul foarte timpuriu, când forțele gravitaționale și electromagnetice au fost combinate cu forțele slabe și puternice într-o forță atotcuprinzătoare. Asta s-a întâmplat doar pentru o perioadă scurtă de timp în universul timpuriu, iar fizicienii vor să știe de ce și cum s-a schimbat. 

Știința fizicii particulelor este în esență căutarea elementelor de bază ale materiei. Știm despre atomii și moleculele care alcătuiesc tot ceea ce vedem și simțim. Atomii înșiși sunt alcătuiți din componente mai mici: nucleul și electronii. Nucleul este el însuși format din protoni și neutroni. Acesta nu este însă sfârșitul liniei. Neutronii sunt alcătuiți din particule subatomice numite quark.

Există particule mai mici? Aceasta este ceea ce acceleratoarele de particule sunt concepute pentru a afla. Modul în care fac acest lucru este să creeze condiții similare cu ceea ce a fost ca imediat după Big Bang - evenimentul care a început universul. În acel moment, cu aproximativ 13,7 miliarde de ani în urmă, universul era format doar din particule. Au fost împrăștiați liber prin cosmosul infantil și au cutreierat constant. Acestea includ mesonii, pionii, barionii și hadronii (pentru care este numit acceleratorul).

Fizicienii de particule (oamenii care studiază aceste particule) suspectează că materia este formată din cel puțin douăsprezece tipuri de particule fundamentale. Acestea sunt împărțite în quark (menționate mai sus) și leptone. Există șase din fiecare tip. Aceasta reprezintă doar câteva dintre particulele fundamentale din natură. Restul sunt create în coliziuni super-energetice (fie în Big Bang, fie în acceleratoare, cum ar fi LHC). În aceste coliziuni, fizicienii de particule au o privire foarte rapidă la ce condiții erau în Big Bang, când au fost create pentru prima dată particulele fundamentale.

Ce este LHC?

LHC este cel mai mare accelerator de particule din lume, o soră mai mare a Fermilab din Illinois și alte acceleratoare mai mici. LHC este situat în apropiere de Geneva, Elveția, construit și operat de Organizația Europeană pentru Cercetări Nucleare și utilizat de peste 10.000 de oameni de știință din întreaga lume. De-a lungul inelului său, fizicienii și tehnicienii au instalat magneți super-răciți extrem de puternici, care ghidează și modelează fasciculele particulelor printr-o conductă de fascicul). Odată ce grinzile se mișcă suficient de repede, magneții specializați îi ghidează către pozițiile corecte unde au loc coliziunile. Detectoarele specializate înregistrează coliziunile, particulele, temperaturile și alte condiții la momentul coliziunii și acțiunile particulelor în miliardime de secundă în care au loc loviturile..

Ce a descoperit LHC?

Când fizicienii de particule au planificat și au construit LHC, un lucru pentru care au sperat să găsească dovezi pentru acesta este Bosonul Higgs. Este o particulă numită după Peter Higgs, care și-a prezis existența. În 2012, consorțiul LHC a anunțat că experimentele au scos la iveală existența unui boson care se potrivește criteriilor așteptate pentru Bosonul Higgs. Pe lângă căutarea continuă a Higgs, oamenii de știință care folosesc LHC au creat ceea ce se numește „plasma quark-gluon”, care este cea mai densă materie care se crede că există în afara unei găuri negre. Alte experimente cu particule îi ajută pe fizicieni să înțeleagă supersimetria, care este o simetrie spațetime care implică două tipuri de particule înrudite: bosoni și fermioni. Se consideră că fiecare grup de particule are o particulă asociată superpartenului în cealaltă. Înțelegerea unei astfel de suprasimetrii le-ar oferi oamenilor de știință mai multe detalii despre ceea ce se numește „modelul standard”. Este o teorie care explică ce este lumea, ce-și ține materia împreună și forțele și particulele implicate.

Viitorul LHC

Operațiunile la LHC au inclus două rulaje majore de „observare”. Între fiecare, sistemul este renovat și modernizat pentru a-și îmbunătăți instrumentația și detectoarele. Următoarele actualizări (prevăzute pentru anul 2018 și ulterior) vor include o creștere a vitezei de coliziune și o șansă de a crește luminozitatea mașinii. Ceea ce înseamnă asta este că LHC va putea vedea procesele din ce în ce mai rare și mai rapide care se produc cu accelerarea și coliziunea particulelor. Cu cât pot apărea mai rapid coliziunile, cu atât va fi eliberată mai multă energie pe măsură ce sunt implicate particule din ce în ce mai mici și mai greu de detectat. Acest lucru va oferi fizicienilor de particule o privire și mai bună asupra blocurilor de materie care formează stelele, galaxiile, planetele și viața.