ย้อนกลับไปในปี 2551 ลำแสงของโปรตอนจะถูกซิปรอบ ๆ Large Hadron Collider (LHC) ซึ่งเป็นเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลก ตอนนี้ทศวรรษต่อมาก็ถึงเวลาที่จะนำสิ่งที่เราได้เรียนรู้มาขอบคุณสิ่งอำนวยความสะดวกนี้และสิ่งที่อยู่ข้างหน้า
การบัญชีนี้รวมถึงการวิจัยในอนาคตที่ LHC สามารถดำเนินการและสิ่งอำนวยความสะดวกใหม่ที่เป็นไปได้ที่สามารถชนอนุภาคที่พลังงานเกินกว่าที่ LHC สามารถทำได้ มีการเสนอการทดแทน LHC สองหรือสามรายการที่เป็นไปได้ ดังนั้นเรามาทบทวนกันว่าเราอยู่ที่ไหนและเราได้มาในทศวรรษที่ผ่านมา
เรื่องราวของ LHC นั้นทั้งตื่นเต้นและปั่นป่วนด้วยเหตุการณ์ต่าง ๆ ตั้งแต่ความเสียหายหายนะไปจนถึงแม่เหล็กขนาดใหญ่ของเครื่องดนตรีในวันแรกของการดำเนินการจนถึงการลุกฮือเหมือนฟีนิกซ์จากโศกนาฏกรรมนั้นตามด้วยการค้นพบที่มั่นคงและน่าตื่นเต้นรวมถึงการค้นพบ Higgs boson การค้นพบนั้นได้รับ Peter Higgs และ Francois Englert รางวัลโนเบลตามที่พวกเขาได้ทำนายอนุภาคเมื่อครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา มันเป็นเรื่องแปลกสำหรับโลกที่จะติดตามข่าวฟิสิกส์ของอนุภาคอย่างเปิดเผย แต่การประกาศการค้นพบของฮิกส์นำไปสู่การประกาศข่าวทั่วโลก
ค้นหาฟิสิกส์ใหม่
นักฟิสิกส์อยู่ที่ขอบที่นั่งของพวกเขารอสิ่งที่พวกเขาหวังว่าจะเป็นการค้นพบที่ไม่คาดคิด เป็นเวลาเกือบครึ่งศตวรรษที่นักวิทยาศาสตร์มีความเข้าใจทางทฤษฎีในปัจจุบันเกี่ยวกับพฤติกรรมของสสารย่อยสลาย ความเข้าใจนี้เรียกว่าแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์อนุภาค
แบบจำลองนี้อธิบายพฤติกรรมที่สังเกตได้ของโมเลกุลและอะตอมของสสารทั่วไปและแม้แต่กลุ่มอาคารขนาดเล็กที่รู้จักกันดีที่สุดเท่าที่เคยพบมา อนุภาคเหล่านี้เรียกว่าควาร์กและเลปตันโดยมีควาร์กอยู่ภายในโปรตอนและนิวตรอนซึ่งประกอบด้วยนิวเคลียสของอะตอมและอิเล็กตรอนเป็นเลตันที่คุ้นเคยมากที่สุด แบบจำลองมาตรฐานยังอธิบายพฤติกรรมของกองกำลังที่รู้จักทั้งหมดยกเว้นแรงโน้มถ่วง มันเป็นความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์ที่ไม่ธรรมดาอย่างแท้จริง
อย่างไรก็ตามแบบจำลองมาตรฐานไม่ได้อธิบายทุกสิ่งในฟิสิกส์เชิงทฤษฎี มันไม่ได้อธิบายว่าทำไมควาร์กและเลปตันดูเหมือนมีอยู่ในสามรูปแบบ แต่มีรูปแบบที่เหมือนกันเกือบทั้งหมดเรียกว่ารุ่น (ทำไมต้องเป็นสามทำไมถึงไม่ใช่สองหรือสี่หรือหนึ่งหรือ 20 ก็ได้) แบบจำลองนี้ไม่ได้อธิบายว่าทำไมจักรวาลของเราจึงมีความหมายทั้งหมดเมื่อความเข้าใจที่ง่ายที่สุดในทฤษฎีสัมพัทธภาพของอัลเบิร์ตไอน์สไตน์กล่าวว่า ปฏิสสารในปริมาณเท่ากัน
แบบจำลองมาตรฐานไม่ได้อธิบายว่าทำไมการศึกษาเอกภพแนะนำว่าเรื่องธรรมดา ๆ ของอะตอมประกอบด้วยเพียง 5 เปอร์เซ็นต์ของสสารและพลังงานของจักรวาล ส่วนที่เหลือคิดว่าประกอบด้วยสสารมืดและพลังงานมืด สสารมืดเป็นรูปแบบของสสารที่สัมผัสกับแรงโน้มถ่วงเท่านั้นและไม่มีแรงพื้นฐานอื่น ๆ ในขณะที่พลังงานมืดเป็นรูปแบบของแรงโน้มถ่วงที่น่ารังเกียจซึ่งแทรกซึมเข้าไปในจักรวาล
ก่อนที่จะมีการผ่าตัดครั้งแรกของ LHC นักฟิสิกส์อย่างฉันก็หวังว่าการตีอย่างแรงของอะตอมจะช่วยเราตอบคำถามที่ทำให้งงเหล่านี้ ทฤษฎีผู้สมัครที่อ้างถึงมากที่สุดเพื่ออธิบายปริศนาเหล่านั้นเรียกว่าซูเปอร์สมมาตร มันแสดงให้เห็นว่าทุกอนุภาคย่อยที่รู้จักกันมีอนุภาคคู่ "superpartner" ในทางกลับกันเหล่านี้สามารถให้คำอธิบายสำหรับสสารมืดและตอบคำถามอื่น ๆ อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์ไม่ได้สังเกตสิ่งที่เกินความจริง ยิ่งไปกว่านั้นข้อมูล LHC ยังได้ตัดทอนทฤษฎีที่ง่ายที่สุดที่รวมเอาสมการที่สมมาตร แล้ว LHC ทำอะไรได้บ้าง?
LHC ทำสิ่งต่างๆมากมาย
นอกเหนือจากสิ่งที่ Higgs boson ทั้งหมดแล้ว LHC ยังได้ป้อนข้อมูลให้กับความร่วมมือทดลองขนาดใหญ่สี่แห่งซึ่งส่งผลให้มีเอกสารทางวิทยาศาสตร์มากกว่า 2,000 ฉบับ ภายใน LHC อนุภาคถูกชนเข้าหากันด้วยพลังงานสูงกว่าที่ Fermilab Tevatron ได้รับ 6.5 เท่าซึ่งถือเป็นชื่อของเครื่องเร่งอนุภาคที่ทรงพลังที่สุดในโลกในศตวรรษที่สิบสี่จนกระทั่ง LHC ใช้มงกุฎนั้น
การทดสอบแบบจำลองมาตรฐานเหล่านี้มีความสำคัญมาก การวัดใด ๆ เหล่านั้นอาจไม่เห็นด้วยกับการทำนายซึ่งจะนำไปสู่การค้นพบ อย่างไรก็ตามมันกลับกลายเป็นว่าแบบจำลองมาตรฐานเป็นทฤษฎีที่ดีมากและได้ทำการคาดการณ์ที่แม่นยำที่พลังงานการชนแบบ LHC เช่นเดียวกับระดับพลังงานใน Tevatron ก่อนหน้านี้
ดังนั้นนี่เป็นปัญหาหรือไม่? ในความเป็นจริงคำตอบคือไม่ ท้ายที่สุดวิทยาศาสตร์มีความสำคัญกับการทดสอบและการปฏิเสธความคิดใหม่ ๆ ที่ผิดเนื่องจากเป็นการตรวจสอบความถูกต้อง
ในทางกลับกันไม่มีการปฏิเสธว่านักวิทยาศาสตร์จะตื่นเต้นกว่าที่จะค้นพบปรากฏการณ์ที่ไม่เคยคาดการณ์มาก่อน การค้นพบของประเภทนั้นเป็นตัวขับเคลื่อนความรู้ของมนุษย์ซึ่งทำให้เกิดการเขียนตำราใหม่
เรื่องราวของ LHC ยังไม่จบ
แล้วตอนนี้คืออะไร LHC บอกเล่าเรื่องราวของเราเสร็จแล้วหรือยัง? แทบจะไม่ อันที่จริงนักวิจัยตั้งตารอที่จะปรับปรุงอุปกรณ์ที่จะช่วยให้พวกเขาศึกษาคำถามที่พวกเขาไม่สามารถพูดได้โดยใช้เทคโนโลยีในปัจจุบัน LHC ปิดตัวลงเมื่อต้นเดือนธันวาคม 2561 เป็นเวลาสองปีของการปรับปรุงและอัพเกรด เมื่อคันเร่งดำเนินการต่อในฤดูใบไม้ผลิปี 2021 มันจะกลับมาพร้อมกับพลังงานที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อย แต่เพิ่มจำนวนการชนต่อวินาที เมื่อพิจารณาถึงการอัพเกรดตามแผนในอนาคตนักวิทยาศาสตร์ LHC ได้บันทึกข้อมูลที่คาดการณ์ไว้เพียง 3 เปอร์เซ็นต์เท่านั้น แม้ว่าจะใช้เวลาหลายปีกว่าจะผ่านการค้นพบทั้งหมดแผนการปัจจุบันคือการบันทึกข้อมูลมากกว่าที่ได้รับมาถึง 30 เท่า ด้วยข้อมูลที่กำลังจะมาถึง LHC ยังคงมีเรื่องราวให้เล่ามากมาย
ถึงกระนั้นในขณะที่ LHC จะเปิดให้บริการอีก 20 ปี แต่ก็สมเหตุสมผลดีที่จะถามว่า "มีอะไรต่อไป" นักฟิสิกส์ของอนุภาคกำลังคิดเกี่ยวกับการสร้างเครื่องเร่งอนุภาคแบบติดตามเพื่อแทนที่ LHC ตามธรรมเนียมของ LHC ความเป็นไปได้อย่างหนึ่งที่จะเกิดการชนกันของโปรตอนคือการรวมกันของพลังงานที่น่าเหลือเชื่อ - อิเล็กตรอนโวลต์ (TeV) 100 ล้านล้านโวลต์ซึ่งใหญ่กว่าขีดความสามารถสูงสุดของ LHC ที่ 14 TeV แต่การบรรลุพลังงานเหล่านี้จะต้องใช้สองสิ่ง: อันดับแรกเราต้องสร้างแม่เหล็กที่มีประสิทธิภาพเป็นสองเท่าของพลังที่ผลักอนุภาครอบ ๆ LHC ถือว่าเป็นเรื่องที่ท้าทาย แต่ทำได้ ประการที่สองเราจะต้องมีอุโมงค์อื่น ๆ เช่นเดียวกับ LHC แต่ใหญ่กว่าสามเท่าโดยรอบด้วยสนามเบสบอลยาว 61 ไมล์ (100 กิโลเมตร) ใหญ่กว่า LHC ถึงสี่เท่า
แต่อุโมงค์ขนาดใหญ่นี้จะถูกสร้างขึ้นที่ใดและมีลักษณะอย่างไร? จะเกิดการชนกันของลำแสงและพลังงานอะไร? นั่นเป็นคำถามที่ดี เรายังไม่เพียงพอในกระบวนการออกแบบและการตัดสินใจเพื่อให้ได้คำตอบ แต่มีนักฟิสิกส์กลุ่มใหญ่และประสบความสำเร็จสองคนที่คิดเกี่ยวกับปัญหาและแต่ละกลุ่มก็สร้างข้อเสนอสำหรับคันเร่งใหม่ หนึ่งในข้อเสนอซึ่งส่วนใหญ่ขับเคลื่อนโดยกลุ่มวิจัยในยุโรปจินตนาการถึงการสร้างคันเร่งขนาดใหญ่เพิ่มเติมซึ่งส่วนใหญ่น่าจะอยู่ที่ห้องปฏิบัติการ CERN นอกเจนีวา
ภายใต้แนวคิดเดียวสิ่งอำนวยความสะดวกที่นั่นจะชนลำแสงอิเล็กตรอนและปฏิสสารอิเล็กตรอน เนื่องจากความแตกต่างระหว่างโปรตอนเร่งเมื่อเทียบกับอิเล็กตรอน - ลำแสงอิเล็กตรอนจะสูญเสียพลังงานรอบ ๆ โครงสร้างวงกลมมากกว่าลำแสงโปรตอน - ลำแสงนี้จะใช้อุโมงค์ยาว 61 ไมล์ แต่ใช้พลังงานต่ำกว่าถ้าเป็นโปรตอน ข้อเสนออื่น ๆ จะใช้คันเร่งยาว 61 ไมล์เพื่อชนลำแสงโปรตอน ข้อเสนอที่สุภาพกว่านี้จะนำอุโมงค์ LHC ปัจจุบันกลับมาใช้ใหม่ แต่จะมีแม่เหล็กที่ทรงพลังกว่า ตัวเลือกนั้นจะเพิ่มพลังงานการปะทะเป็นสองเท่าเหนือสิ่งที่ LHC ทำได้ แต่มันเป็นทางเลือกที่ไม่แพง ข้อเสนออื่นซึ่งส่วนใหญ่ได้รับการสนับสนุนจากนักวิจัยชาวจีนจะจินตนาการถึงโรงงานแห่งใหม่ทั้งหมดซึ่งสร้างขึ้นในจีน คันเร่งนี้จะอยู่ที่ประมาณ 61 ไมล์และมันจะชนอิเล็กตรอนและปฏิสสารอิเล็กตรอนเข้าด้วยกันก่อนที่จะเปลี่ยนไปชนกับโปรตอน - โปรตอนในปี 2040
โครงการที่มีศักยภาพทั้งสองโครงการนี้ยังอยู่ในขั้นตอนการพูดคุย ในที่สุดนักวิทยาศาสตร์ที่ทำข้อเสนอเหล่านี้จะต้องหารัฐบาลหรือกลุ่มของรัฐบาลที่เต็มใจจะออกร่างพระราชบัญญัตินี้ แต่ก่อนหน้านั้นสามารถเกิดขึ้นได้นักวิทยาศาสตร์จำเป็นต้องกำหนดความสามารถและเทคโนโลยีที่จำเป็นเพื่อให้สิ่งอำนวยความสะดวกใหม่เหล่านี้เป็นไปได้ ทั้งสองกลุ่มเพิ่งเปิดตัวเอกสารที่กว้างขวางและครอบคลุมเกี่ยวกับการออกแบบของพวกเขา ไม่เพียงพอที่จะสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกที่เสนอ แต่มันก็ดีพอที่จะเปรียบเทียบการแสดงที่คาดการณ์ไว้ของห้องปฏิบัติการในอนาคตและเริ่มการคาดการณ์ต้นทุนที่เชื่อถือได้
การตรวจสอบขอบเขตความรู้เป็นความพยายามที่ยากลำบากและอาจใช้เวลาหลายทศวรรษจากความฝันแรกของการสร้างสิ่งอำนวยความสะดวกขนาดนี้ผ่านการดำเนินการจนถึงการปิดโรงงาน ในขณะที่เราทำเครื่องหมายครบรอบ 10 ปีของลำแสงแรกใน LHC มันคุ้มค่าที่จะรับสิ่งที่โรงงานประสบความสำเร็จและสิ่งที่จะเกิดขึ้นในอนาคต ดูเหมือนว่าฉันจะมีข้อมูลที่น่าตื่นเต้นสำหรับนักวิทยาศาสตร์รุ่นต่อไปเพื่อการศึกษา และบางทีเพียงแค่เราจะได้เรียนรู้เคล็ดลับที่น่าสนใจของธรรมชาติอีกสองสามข้อ
Don Lincoln เป็นนักวิจัยฟิสิกส์ที่ Fermilab. เขาเป็นผู้ประพันธ์ "Large Hadron Collider: เรื่องราวพิเศษของ Higgs Boson และสิ่งอื่น ๆ ที่จะทำให้คุณทึ่ง"(Johns Hopkins University Press, 2014) และเขาผลิตชุดของการศึกษาวิทยาศาสตร์ วิดีโอ. ติดตามเขา บนเฟซบุ๊ค. ความคิดเห็นที่แสดงในคำอธิบายนี้เป็นของเขา
Don Lincoln บริจาคบทความนี้ให้กับ Live Science's Expert Voices: Op-Ed & Insights
