2008 년에는 세계에서 가장 강력한 입자 가속기 인 LHC (Large Hadron Collider) 주변에 양성자 빔이 처음으로 압축되었습니다. 이제 10 년 후,이 시설 덕분에 우리가 배운 것과 앞으로 나아 온 것을 재고로 가져 가야합니다.
이 회계에는 LHC가 수행 할 수있는 미래의 연구와 LHC가 달성 할 수있는 것보다 훨씬 많은 에너지에서 입자를 충돌시킬 수있는 새로운 시설이 모두 포함됩니다. LHC를위한 2 개 또는 3 개의 가능한 대체물이 제안되었다. 우리가있는 곳과 지난 10 년 동안 온 곳을 살펴 보겠습니다.
LHC의 이야기는 재난 피해부터 기기의 거대한 자석에 이르기까지 운영의 첫날에 일어난 비극적 인 피해에서 불사조와 같은 불사조에 이르기까지 다양한 사건이 발생하는 신나고 격동 적입니다. iggs 스 보손 그 결과, 반세기 전에이 입자를 예측 한 Peter Higgs와 Francois Englert가 노벨상을 수상했습니다. 세계가 입자 물리학 뉴스를 꼼꼼하게 따르는 것은 드문 일이지만, Higgs의 발견 발표는 전 세계 뉴스 방송을 이끌었습니다.
새로운 물리학 찾기
물리학 자들은 또한 예상치 못한 발견이되기를 기대하면서 자리에 앉아있었습니다. 거의 반세기 동안, 과학자들은 아 원자 물질의 행동에 대한 현재의 이론적 이해가 이루어졌습니다. 이러한 이해를 입자 물리학의 표준 모델이라고합니다.
이 모델은 보통 물질의 분자와 원자의 관찰 된 행동과 심지어 가장 작은 알려진 빌딩 블록의 행동을 설명합니다. 이 입자들을 쿼크와 렙톤이라고하며, 원자핵을 구성하고 전자가 가장 친숙한 렙톤 인 양성자와 중성자 안에 쿼크가 있습니다. 표준 모델은 중력을 제외한 모든 알려진 힘의 거동을 설명합니다. 정말 놀라운 과학적 성과입니다.
그러나 표준 모델은 이론 물리학의 모든 것을 설명하지는 않습니다. 왜 쿼크와 렙톤이 세대라고 불리는 세 가지 별개의 거의 동일한 구성으로 존재하는지 설명하지 않습니다. 알베르트 아인슈타인의 상대성 이론에 대한 간단한 이해가 우주가 또한 동등한 양의 반물질.
표준 모형은 우주에 대한 연구가 원자의 보통 물질이 우주의 물질과 에너지의 단지 5 %를 구성한다고 제안하는 이유를 설명하지 않습니다. 나머지는 암흑 물질과 암흑 에너지로 구성되어 있다고 생각됩니다. 암흑 물질은 중력 만 경험하고 다른 기본 힘은 전혀 경험하지 않는 물질의 형태이며, 암흑 에너지는 우주에 스며드는 반발력의 형태입니다.
LHC의 첫 수술 전에, 저와 같은 물리학 자들은 원자 분쇄기가 우리가이 수수께끼 같은 질문에 대답하는 데 도움이되기를 희망했습니다. 이러한 퍼즐을 설명하기 위해 가장 많이 인용되는 후보 이론을 초대칭이라고합니다. 알려진 모든 아 원자 입자에는 "슈퍼 파트너"대응 입자가 있음을 시사합니다. 이것들은 차례로 암흑 물질에 대한 설명을 제공하고 다른 질문에 대답 할 수 있습니다. 그러나 물리학 자들은 어떠한 초대칭도 관찰하지 않았다. 또한 LHC 데이터는 초대칭을 통합하는 가장 간단한 이론을 배제했습니다. 그래서 LHC는 무엇을 성취 했습니까?
LHC는 많은 일을했습니다
글쎄, HC 스 보손 전체를 제외하고, LHC는 4 개의 대규모 실험 협업에 데이터를 공급하여 2,000 개 이상의 과학 논문을 만들었습니다. LHC 내부에서, LHC가 그 왕관을 차지할 때까지 1/4 세기 동안 세계에서 가장 강력한 입자 가속기의 제목을 유지 한 Fermilab Tevatron에 의해 달성 된 것보다 6.5 배 높은 에너지에서 입자들이 서로 뭉개졌습니다.
이러한 표준 모델 테스트는 매우 중요했습니다. 이러한 측정 중 하나라도 예측에 동의하지 않아 발견으로 이어질 수 있습니다. 그러나 표준 모델은 매우 좋은 이론이며, 초기 Tevatron의 에너지 수준에서와 마찬가지로 LHC 충돌 에너지를 정확하게 예측 한 것으로 나타났습니다.
이것이 문제입니까? 매우 실제적인 의미에서 대답은 '아니오'입니다. 결국 과학은 올바른 아이디어를 검증하는 것만 큼 잘못된 새로운 아이디어를 테스트하고 거부하는 것에 관한 것입니다.
반면에 과학자들이 이전에 예측되지 않은 현상을 발견하기 위해 훨씬 더 흥분했을 것임을 부인할 수는 없습니다. 이러한 유형의 발견은 교과서의 재 작성에서 인간의 지식을 이끌어냅니다.
LHC 이야기는 끝나지 않았습니다
이제 무엇? LHC가 우리에게 그 이야기를 끝 마쳤습니까? 거의. 실제로 연구원들은 현재의 기술로는 해결할 수없는 질문을 연구하는 데 도움이되는 장비의 개선을 기대하고 있습니다. LHC는 2018 년 12 월 초에 2 년간의 보수와 업그레이드를 위해 폐쇄되었습니다. 2021 년 봄에 가속기가 작동을 재개하면 약간의 에너지 증가와 함께 리턴되지만 초당 충돌 수는 두 배가됩니다. 향후 계획된 업그레이드를 고려하면 LHC 과학자들은 지금까지 예상 데이터의 3 % 만 기록했습니다. 모든 연구 결과를 조사하는 데 몇 년이 걸리지 만 현재 계획은 현재까지 얻은 것보다 약 30 배 더 많은 데이터를 기록하는 것입니다. 앞으로 더 많은 데이터가 나오면서 LHC는 여전히 많은 이야기를 할 것입니다.
그럼에도 불구하고 LHC는 20 년 정도 더 운영 될 것이지만 "다음 단계는 무엇입니까?"라고 묻는 것도 합리적입니다. 입자 물리학 자들은 LHC를 대체하기 위해 후속 입자 가속기를 만드는 것에 대해 생각하고 있습니다. LHC 전통에 따르면, 하나의 가능성은 100 조 전자 볼트 (TeV) 인 마음을 끄는 에너지에서 양자의 빔을 충돌시킬 수 있으며, 이는 LHC의 최고 14 TeV 용량보다 훨씬 큽니다. 그러나 이러한 에너지를 달성하려면 두 가지가 필요합니다. 첫째, LHC 주위에 입자를 밀어 넣는 자석보다 두 배 강력한 자석을 만들어야합니다. 도전적이지만 달성 가능한 것으로 간주됩니다. 둘째, LHC와 비슷한 다른 터널이 필요하지만 LHC보다 약 4 배 큰 61km (100km)의 야구장 둘레와 함께 3 배 이상 큰 터널이 필요합니다.
그러나이 큰 터널은 어디에 건설 될 것이며 실제로 어떻게 보일까요? 어떤 빔이 충돌하고 어떤 에너지가 발생합니까? 좋은 질문입니다. 우리는 답을 얻기위한 디자인 및 의사 결정 과정에서 충분히 충분하지는 않지만 문제에 대해 생각하는 매우 크고 성취 된 두 물리학 자 그룹이 있으며, 이들은 각각 새로운 가속기에 대한 제안을 생성했습니다. 유럽 연구 그룹이 주도한 제안 중 하나는 제네바 바로 외곽의 CERN 연구소에 위치한 대규모 추가 가속기를 구축하는 것을 상상합니다.
하나의 아이디어에서, 시설은 전자 빔과 반물질 전자를 충돌시킵니다. 전자와 비교하여 가속 양성자의 차이 때문에-전자 빔은 양성자 빔보다 원형 구조 주위에서 더 많은 에너지를 잃습니다.-이 빔은 61 마일 길이의 터널을 사용하지만 양성자 인 경우보다 낮은 에너지에서 작동합니다. 또 다른 제안은 동일한 61 마일 길이의 가속기를 사용하여 양자 빔을 충돌시키는 것입니다. 보다 겸손한 제안은 현재 LHC 터널을 재사용하지만 더 강력한 자석을 사용합니다. 이 옵션은 LHC가 할 수있는 것보다 충돌 에너지를 두 배로 늘릴 뿐이지 만 덜 저렴한 대안입니다. 중국 연구자들이지지하는 또 다른 제안은 아마도 중국에 지어진 완전히 새로운 시설을 상상합니다. 이 촉진제는 약 61 마일 정도이며 전자와 반물질 전자가 충돌하여 약 2040 년에 양자 양성자 충돌로 전환됩니다.
이 두 가지 잠재적 인 프로젝트는 여전히 이야기 단계에 있습니다. 결국, 이러한 제안을하는 과학자들은이 법안을 기꺼이 이행 할 정부 또는 정부 그룹을 찾아야 할 것이다. 그러나 그 일이 발생하기 전에 과학자들은 이러한 새로운 시설을 가능하게하는 데 필요한 기능과 기술을 결정해야합니다. 두 그룹 모두 최근에 그들의 디자인에 대한 포괄적이고 철저한 문서를 발표했습니다. 제안 된 시설을 구축하기에는 충분하지 않지만 미래 실험실의 예상 성능을 비교하고 신뢰할 수있는 비용 예측을 시작하기에 충분합니다.
지식의 경계를 조사하는 것은 어려운 노력이며,이 규모의 시설을 건설하려는 첫 꿈에서 운영을 통해 시설의 폐쇄까지 수십 년이 걸릴 수 있습니다. LHC에서 첫 번째 빔의 10 주년을 기념 할 때 시설이 달성 한 것과 미래에 가져올 것이 무엇인지 재고 할 가치가 있습니다. 차세대 과학자들이 연구 할 흥미로운 데이터가있을 것 같습니다. 그리고 아마도 어쩌면 우리는 자연의 매혹적인 비밀에 대해 더 배울 것입니다.
Don Lincoln은 물리 연구원입니다 페르미 랍. 그는 "의 저자입니다대형 하드론 충돌기 : iggs 스 보손 (Higgs Boson)의 놀라운 이야기와 다른 것들을 떠올리게 할 다른 것들"(Johns Hopkins University Press, 2014), 그는 일련의 과학 교육을 비디오. 그를 따라 페이스 북에서. 이 논평에 표현 된 의견은 그의 것입니다.
Don Lincoln이이 기사를 Live Science의 전문가의 목소리 : Op-Ed & Insights.
