Епічний експеримент з коллайдером може розкрити таємницю матерії

14

Коли лауреат нобелівської премії американський фізик роберт хофштадтер і його команда запустили високоенергетичні електрони в невеликий бульбашка з воднем в стенфордському центрі лінійних прискорювачів в 1956 році, вони відкрили двері в нову еру фізики.

До цього вважалося, що протони і нейтрони, складові ядро атома, є найбільш фундаментальними частинками в природі.

Вони вважалися “точками“ в просторі, позбавленими фізичних розмірів. Тепер раптово стало ясно, що ці частинки зовсім не є фундаментальними, а також мають розмір і складну внутрішню структуру.

Хофштадтер і його команда побачили невелике відхилення в тому, як електрони “розсіюються“ або відскакують при зіткненні з воднем. Це передбачало, що в ядрі є щось більше, ніж точкові протони і нейтрони, які вони собі уявляли.

Експерименти, які послідували по всьому світу на прискорювачах-машинах, які переміщують частинки до дуже високих енергій, – сповістили про зміну парадигми в нашому розумінні матерії.

Тим не менш, ми ще багато чого не знаємо про атомне ядро, а також про “сильну силу“, одну з чотирьох фундаментальних сил природи, яка утримує його разом.

Тепер абсолютно новий прискорювач, електронно-іонний коллайдер, який буде побудований протягом десяти років в брукхейвенській національній лабораторії на лонг-айленді, сша, за допомогою 1300 вчених з усього світу, може допомогти нам у розумінні ядра. Новий рівень.

Після відкриттів 1950-х років незабаром стало ясно, що частинки, звані кварками і глюонами, є фундаментальними будівельними блоками матерії. Вони є складовими частинами адронів-збірного назви протонів та інших частинок.

Іноді люди уявляють, що частинки такого типу підходять один до одного, як lego, де кварки певної конфігурації складають протони, а потім протони і нейтрони з’єднуються, щоб створити ядро, а ядро притягує електрони, щоб побудувати атом. Але кварки і глюони – це зовсім не статичні будівельні блоки.

Теорія, що називається квантовою хромодинамікою, описує, як сильна взаємодія працює між кварками через глюони, які є переносниками сили. Однак це не може допомогти нам в аналітичному обчисленні властивостей протона. Це не провина наших теоретиків або комп’ютерів – самі рівняння просто не можна вирішити.

Ось чому так важливо експериментальне вивчення протона та інших адронів: щоб зрозуміти протон і силу, що зв’язує його, потрібно вивчити його з усіх боків. Для цього прискорювач – наш найпотужніший інструмент.

Проте, коли ви дивитеся на протон за допомогою коллайдера (типу прискорювача, в якому використовуються два промені), то, що ми бачимо, залежить від того, наскільки глибоко – і на що – ми дивимося: іноді він виглядає як три складових кварка, а іноді як океан. Глюонів, або нескінченне море пар кварків і їх античастинок (античастинки майже ідентичні частинкам, але мають протилежний заряд або інші квантові властивості).

як електрон, що стикається з зарядженим атомом, може виявити його ядерну структуру брукхейвенська національна лабораторія

Таким чином, хоча наше розуміння матерії в цьому крихітному масштабі домоглося великого прогресу за останні 60 років, залишається багато загадок, які сучасні інструменти не можуть повністю вирішити. Яка природа утримання кварків всередині адрона? як маса протона виникає з майже безмасових кварків, які в 1000 разів легше?

Щоб відповісти на ці питання, нам потрібен мікроскоп, який може відображати структуру протона і ядра з найдрібнішими деталями в найширшому діапазоні збільшень і будувати тривимірні зображення їх структури і динаміки. Саме це і буде робити новий колайдер.

Електронно-іонний коллайдер (eic) буде використовувати дуже інтенсивний пучок електронів як зонд, за допомогою якого можна буде розрізати протон або ядро і подивитися на структуру всередині нього.

Він буде робити це, зіштовхуючи пучок електронів з пучком протонів або іонів (заряджених атомів) і спостерігаючи за тим, як електрони розсіюються. Іонний пучок-перший в світі в своєму роді.

Ледь помітні ефекти, такі як процеси розсіювання, які настільки рідкісні, що ви спостерігаєте їх тільки один раз з мільярда зіткнень, стануть видимими.

Вивчаючи ці процеси, я та інші вчені зможемо розкрити структуру протонів і нейтронів, як вона змінюється, коли вони пов’язані сильною взаємодією, і як створюються нові адрони.

Ми також могли б з’ясувати, яка матерія складається з чистих глюонів – чого ніколи не бачили.

Коллайдер буде налаштовуватися на широкий діапазон енергій: це схоже на поворот шкали збільшення на мікроскопі: чим вище енергія, тим глибше всередині протона або ядра можна зазирнути і тим більш тонкі деталі можна вирішити.

Нещодавно сформовані колаборації вчених з усього світу, які є частиною команди eic, також розробляють детектори, які будуть розміщені в двох різних точках зіткнення на колайдері.

Аспекти цих зусиль очолюються британськими командами, які тільки що отримали грант на розробку трьох ключових компонентів детекторів і розробку технологій, необхідних для їх реалізації: датчики для точного відстеження заряджених частинок, датчики для виявлення електрони, розсіяні дуже близько до лінії променя і детекторів для вимірювання поляризації (напрямку спина) частинок, розсіяних при зіткненнях.

Хоча може пройти ще 10 років, перш ніж коллайдер буде повністю спроектований і побудований, ймовірно, це того варте.

Розуміння структури протона і, як наслідок, фундаментальної сили, яка дає більше 99 відсотків видимої маси у всесвіті, є однією з найбільших проблем сучасної фізики.

Нагадаємо, раніше повідомлялося, що .