С момента остановки в начале 2013 года LHC и его детекторы претерпели множество модернизаций и ремонтов. Когда ускоритель частиц перезапустится, он столкнется с протонами с беспрецедентной энергией: 13 триллионов электрон-вольт.
В масштабах нашего макроскопического мира сила этих протон-протонных столкновений примерно эквивалентна удару яблока в луну с такой силой, что образовался кратер диаметром 6 миль.Расширенные возможности детекторов ATLAS, CMS, ALICE и LHCb — плюс дополнительный прирост мощности LHC — откроют ученым доступ к ранее недоступной области физики.К бозону Хиггса… и дальше!При первом запуске LHC эксперименты ATLAS и CMS завершили 50-летнюю охоту на бозон Хиггса, который был предсказан Стандартной моделью частиц и сил.
Теперь ученые хотят знать, скрывает ли найденный ими Хиггс какие-нибудь сюрпризы.«Все свойства бозона Хиггса уже предсказаны Стандартной моделью, поэтому наша задача — выйти и измерить эти свойства и посмотреть, согласны ли они», — говорит Джей Хаузер, физик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, работающий над CMS. эксперимент. «Если что-то не согласуется, это может быть окно в новую физику».Поскольку бозон Хиггса любит массу, ученые подозревают, что он может взаимодействовать с рядом скрытых массивных частиц, которые мы не можем видеть, например с темной материей.
Если бозон Хиггса танцует с какой-либо неоткрытой физикой, ученые должны увидеть доказательства этого в поведении Хиггса.
Но даже если Хиггс соглашается со всеми предсказаниями, что-то в этом все равно кажется немного странным.«Масса Хиггса не имеет никакого смысла», — говорит Беате Хайнеманн, физик из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и заместитель руководителя эксперимента ATLAS. «Было бы гораздо больше смысла, если бы он был намного тяжелее, поэтому мы думаем, что должно быть что-то, что защищает бозон Хиггса и придает ему меньшую массу».Этим телохранителем Хиггса может быть что угодно, от суперсимметричных частиц до темной материи и дополнительных измерений.«У нас довольно много загадок, — говорит Хайнеманн. «Мы думаем, что должна появиться новая физика в этой энергетической шкале, но мы еще не знаем, что это такое».
Возвращение к большому взрывуУченые, участвующие в эксперименте ALICE, нацелены на кое-что еще.
Вначале вся Вселенная — все звезды, планеты и галактики — были частью горячего супа из материи, называемого кварк-глюонной плазмой.
LHC может воссоздать эти условия в миниатюре путем встречных пучков тяжелых атомных ядер, что он делает в течение четырех недель в году. Детектор ALICE специализируется на исследовании свойств этого первозданного материала.«Кварк-глюонная плазма настолько горячая, что в ней не могут существовать обычные протоны и нейтроны», — говорит Питер Джейкобс, физик из Беркли, работающий над экспериментом ALICE. «Кварки и глюоны перемещаются в нем и взаимодействуют новыми способами, которых мы раньше не видели.
Это новая форма материи, и мы хотим знать, как она ведет себя и каковы ее свойства — например, ее структура и как она действует. разные температуры ».При первом запуске LHC эксперимент ALICE смог охарактеризовать многие аспекты этой странной полужидкой плазмы, такие как ее вязкость.«Кварки и глюоны взаимодействуют больше, чем мы первоначально думали, что указывает на то, что кварк-квлуонная плазма больше похожа на жидкость, чем на газ; действительно, почти такая« идеальная »жидкость, насколько позволяет природа», — говорит Джейкобс.Но это еще не все.
«Run I был пробегом для открытий, и мы смогли изучить много нового и разработали много любопытных вещей», — говорит Джейкобс. «Во время Run II мы сможем более глубоко изучить эти курьезы и дать им количественные оценки, а не просто описать их качественно».Дело о пропавшем антивеществеУченые подозревают, что Большой взрыв действовал как суперколлайдер размером с вселенную, породивший равные части материи и антивещества.
Но куда делось все антивещество?Эксперимент LHCb — один из лучших в мире детективов ранней вселенной, который ищет зацепки в случае исчезновения антивещества.«Мы должны были начать с эквивалентного количества вещества и антивещества во Вселенной», — говорит Майкл Уильямс, физик из Массачусетского технологического института, работающий над экспериментом LHCb. «Но теперь все, что мы видим, — это материя, и Стандартная модель не может объяснить это огромное несоответствие. Должен быть какой-то другой способ, которым материя и антивещество ведут себя по-другому».
Чтобы раскрыть причину этого огромного несоответствия, эксперимент LHCb проводит точные измерения субатомных процессов. Затем ученые LHCb сравнивают прогнозы Стандартной модели с этими экспериментальными наблюдениями, чтобы увидеть, насколько хорошо они совпадают. До сих пор Стандартную модель было трудно сломать.
Но Уильямс считает, что повышение точности этих измерений может показать, где находятся трещины.«Никогда не знаешь, стоишь ли ты на пороге открытия», — говорит Уильямс. «Во втором прогоне мы будем измерять множество процессов с гораздо более высокой точностью, и это может выявить то, что Стандартная модель не объясняет».