Large Hadron Collider (LHC) de la CERN (Conseil européen pour la recherche nucléaire) este cel mai puternic accelerator de particule din lume.

În decursul celor 10 ani de utilizare a LHC fizicienii au efectuat o serie de descoperiri remarcabile, inclusiv bosonul Higgs, care a fost prezis de Peter Higgs în urmă cu 50 de ani și a fost descoperit în anul 2012 în cadrul CERN.

În data de 15 ianuarie 2019, o echipă internațională de fizicieni a dezvăluit planul de realizare al unui nou accelerator de particule, în comparaţie cu care LHC ar putea părea mic.

LHC

Large Hadron Collider (LHC). Credit: CERN

Future Circular Collider (FCC), adică “Viitorul Accelerator Circular” de la CERN, va fi succesorul lui LHC și, dacă va fi într-adevăr construit, le va permite fizicienilor să caute răspunsuri la unele dintre cele mai mari mistere ale fizicii.

Printre acestea se numără înţelegerea materiei întunecate şi energiei întunecate, două componente misterioase, necunoscute, ale Universului despre care se crede că reprezintă mai mult de 96% din conținutul total de materie și energie al Universului.

Deși nimeni nu le-a observat vreodată, în mod direct, cu ajutorul lor oamenii de ştiinţă explică în prezent modul cum se mișcă galaxiile  și expansiunea Universului.

De asemenea viitorul accelerator de particule FCC ar putea conduce la descoperirea unor noi particule în afara Modelului Standard  al fizicii particulelor, ceea ce ar putea deschide o nouă eră în fizică.

Propunerea fizicienilor prevede construirea unui nou tunel circular, având o circumferință de 100 km, care va înconjura orașul Geneva și regiunile rurale din jurul acestuia.

Viitorul accelerator circular de particule de la CERN

Viitorul accelerator circular de particule de la CERN

Acceleratorul LHC, care are o circumferinţă de 27 km, va alimenta cu particule viitorul accelerator FCC. Astfel, fasciculele accelerate de particule vor putea fi ciocnite cu o energie de aproximativ 7 ori mai mare decât cea pe care o poate genera LHC.

În consecinţă, acceleratorul FCC va putea genera particule care nu pot rezulta în LHC, ceea ce va deschide un nou domeniu de cercetare în fizica particulelor.

Un “portal” către o “lume întunecată”

Proiectul viitorului accelerator circular de particule reprezintă mai multe proiecte într-unul singur.

În prima fază se va realiza un accelerator care va ciocni fascicule formate din electroni cu fascicule formate din pozitroni, omologii din antimaterie ai electronilor.

Se crede că pentru fiecare particulă de materie există o particulă de antimaterie, care este practic identică cu omoloaga ei din materie obişnuită doar că are o sarcină electrică opusă.

Atunci când o particulă de materie și o particulă de antimaterie se întâlnesc, ele se anihilează complet şi toată energia degajată în acest proces este transformată în particule noi.

Energia de coliziune a unui astfel de accelerator ar putea fi controlată foarte precis. De asemenea, coliziunile ar fi mult mai “curate” în comparaţie cu cele din LHC.

În interiorul LHC sunt ciocnite fascicule formate din protoni, particule care alcătuiesc nucleul atomic împreună cu neutronii.

Protonii nu sunt particule fundamentale, cum ar fi electronii. Protonii sunt formaţi din alte particule mai mici, inclusiv quarcuri și gluoni.

Atunci când protonii se ciocnesc, resturile lor se împrăştie peste tot, ceea ce îngreunează detectarea unor posibile particule noi.

Detector de particule

Detector de particule. Credit: CERN

Scopul principal al acceleratorului care va ciocni fascicule electroni-pozitroni va fi studierea bosonului Higgs, particula implicată în originea masei celorlalte particule fundamentale.

Noul accelerator ar putea genera milioane de bosoni Higgs, ceea ce va permite măsurarea proprietățile lor în detalii fără precedent.

Astfel de măsurători de precizie pot conduce la noi descoperiri. Una dintre cele mai incitante ar fi aceea că bosonul Higgs ar putea acționa ca un “portal” care leagă lumea atomului obișnuit cu o lume ascunsă formată din particule care altfel nu pot fi detectate.

Aproximativ 85% din toată materia din Univers este reprezentată de aşa-numita materie întunecată, care este formată din particule ce nu au fost niciodată observate în mod direct.

Prezența materiei întunecate poate fi dedusă doar prin efectul gravitațional al acesteia asupra materiei obişnuite.

Este incitant faptul că un accelerator care ciocneşte fascicule de electroni cu fascicule de pozitroni ar putea dezvălui dacă bosonul Higgs se dezintegrează în aceste particule ascunse despre care fizicienii cred că formează materia întunecată.

În cea de-a doua fază de dezvoltare a FCC, acceleratorul de electroni şi pozitroni va fi înlocuit de un accelerator mult mai puternic în care se vor ciocni fascicule de protoni cu o energie de coliziune de 100 trilioane de electron-volți. Acest accelerator ar fi capabil să creeze o gamă imensă de particule noi despre care fizicienii cred că nu ar putea fi generate în interiorul LHC.

Cu ajutorul acestui accelerator s-ar putea explora, aproape complet, domeniul de energie unde se crede că se generează cele mai multe forme de materie întunecată.

De asemenea, noul accelerator ar fi capabil să testeze condițiile care au existat în prima trilionime de secundă după Big Bang. Acest moment din istoria Universului este crucial, deoarece se crede că prin colapsul câmpului Higgs în starea sa actuală s-au generat masele particulelor fundamentale.

Înțelegerea modului prin care câmpul Higgs a dobândit energia actuală este una dintre cele mai mari probleme din fizică, deoarece această energie pare a fi extrem de bine reglată pentru a permite atomilor și deci stelelor, planetelor și oamenilor să existe.

Fizicienii speră, de asemenea, că noul accelerator va permite găsirea răspunsului la întrebarea de ce Universul este format aproape în întregime din materie și nu din antimaterie.

Costurile noului accelerator de particule

Conform proiectului FCC, prima fază a noului accelerator va fi realizată în anii 2040, după ultima etapă de modernizare a LHC-ului.

A doua fază a noului accelerator, în care va fi instalat cel mai puternic accelerator proton-proton, va fi realizată în anii 2050.

Costul estimat pentru acceleratorul de electroni şi pozitroni este de 9 miliarde euro, iar pentru acceleratorul de protoni este de 15 miliarde de euro.

Costul ridicat pentru realizarea noului accelerator de particule de la CERN a generat deja controverse privind necesitatea construirii unui astfel de accelerator sau privind modul cum sunt cheltuiţi aceşti bani, care ar putea fi investiţi în altă parte, de exemplu pentru combaterea schimbărilor climatice.

John Womersley, un fizician implicat în proiectul “Future Circle Collider”, a declarat că în afară de valoarea cunoștințelor fundamentale ce vor putea fi dobândite cu ajutorul noului accelerator de particule, vor exista și alte beneficii semnificative pe termen scurt.

„FCC va stimula dezvoltarea unor tehnologii inovatoare necesare construirii noului accelerator de particule. World Wide Web, Wi-Fi și magneții supraconductori au devenit realitate în urma unor cercetări din fizica fundamentală. Proiectul va inspira, de asemenea, următoarea generație de fizicieni”, a declarat John Womersley.

Construirea viitorului accelerator de particule de la CERN va fi posibilă numai printr-o colaborare internațională prin care finanțarea proiectului va fi asigurată de zeci de țări.

Proiectul FCC include deja 1.300 de colaboratori din partea a 150 de universități, institute de cercetare și parteneri industriali din întreaga lume.

Între timp, proiectul unui accelerator de particule similar este analizat de China, care este, probabil, singura țară capabilă să asigure resursele necesare pentru construirea unui astfel de accelerator pe cont propriu.

Susţinătorii acceleratorului Future Circular Collider speră că proiectul acestuia va fi adoptat în noua strategie europeană pentru fizica particulelor, care va fi publicată în anul 2020.

Dacă proiectul FCC va fi acceptat, vor urma activităţi îndelungate de cercetare și dezvoltare, dar și eforturi de convingere a guvernelor naționale și publicului larg că merită să investească în cercetarea fundamentală din fizica particulelor care poate ajuta la o mai bună înţelegere a Universului.

Traducere şi adaptare după CERN: Large Hadron Collider replacement plans unveiled – here’s what it could discover