14 декември 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Мистериите, които Големият адронен колайдер трябва да разгадае

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 22 ноември 2019 в 09:0737030
Кредит: CERN MICROCOSM, United States Mission Geneva, CC BY-ND 2.0

Големият адронен колайдер, управляван от Европейската организация за ядрени изследвания или ЦЕРН, е огромен ускорител на частици. Това е най-голямото научно съоръжение, изградено някога от човечеството, с обиколка над 27 километра. Наскоро неговият генерален директор - д-р Фабиола Джианоти (Fabiola Gianotti) - посети България и изнесе лекция във Физическия факултет на Софийския университет.

Големият адронен колайдер (LHC) е известен най-вече с откриването през 2012 г. на частицата бозона на Хигс, последното липсващо парче от Стандартния модел на елементарните частици. Бозонът на Хигс, заедно със свързаното с него поле на Хигс, обяснява произхода на масата на всички елементарни фундаментални частици. Откритието му бе научен триумф, за който бяха необходими почти половин век. Всъщност след откриването му през 2013 г. двама учени, които предсказаха съществуването на бозона на Хигс, спечелиха Нобеловата награда по физика.

Но защо след този успех Големият адронен колайдер все още работи?

Търсенето на бозона на Хигс не бе единствената причина да бъде изградено това съоръжение. В по-широк план, Големият адронен колайдер е създаден за изучаване на дълбоко фундаментални научни въпроси.

Например, защо законите на природата са такива, каквито са? Как е възникнала Вселената? И трябва ли да бъде Вселената такава, каквато е?

В статия на ABC Science,  д-р Мартин Севиър (Martin Sevior), учен от колаборацията LHC Atlas разказва за надеждите за отговор на големите загадки на строежа на Вселената, които дава адронния колайдер на ЦЕРН.

"Очаквахме да намерим Хигс бозона, защото [с него] Стандартният модел на физиката на елементарните частици работи добре, щеше да е наистина странно, ако не бяхме го намерили. Сега преминаваме на най-високите нива на енергия, с които някога е работено и с нетърпение очакваме какво ще видим там!", коментира д-р Мартин Севиър.

"Надяваме се, че подсиленият колайдер да позволи на физиците да открият нещо, което не очаквали", допълва физикът.

1. Тъмната материя

Тъмната материя съставлява около 75% от цялата материя във Вселената, но учените все още не знаят какво представлява и затова я наричат ​​тъмна материя.

"Астрономите за първи път забелязват, че тъмната материя съществува, когато разбират, че гравитационното привличане е недостатъчно, за да обикалят с толкова голяма скорост звездите около центъра на галактиката", разказва Сервиър.

Главен кандидат за частица на тъмната материя са WIMP (Weakly interacting massive particles), т.е. хипотетичните  "слабо взаимодействащи масивни частици".

WIMP могат да са от типа на суперсиметричните частици, огледални образи на нормалните частици като електрони и кварки.

Съвременното ни разбиране за физиката на елементарните частици, известно като "Стандартния модел" работи добре за разясняване повечето неща на субатомно ниво.

"Въпреки това уравненията започват да се чупят над енергии от порядъка на тераелектронволт, затова този прилив на енергия [заради модернизацията на LHC] е толкова вълнуващ" - казва Севиър.

"За да се обясни това, теоретиците са измислили суперсиметрията, която удивително прогнозира частици със същите свойства като тъмната материя. Ето защо суперсиметрията е водеща теория - кандидат за физиката отвъд Стандартния модел, макар че няма доказателства за нея все още".

Ако учените са прави, частиците на тъмната материя трябва да бъдат намерени в по-високите енергийни нива, които вече са възможни в LHC.

2. Антивеществото

Антиматерията е като обикновената материя, но с противоположен заряд. Антиматерията е загадка, защото би трябвало да е имало е имало равни количества материя и антиматерия по време на Големия взрив, създал Вселената преди 13,7 милиарда години.

Днес обаче няма следи от антиматерия в галактики или мъглявини и антивещество се вижда рядко и само за кратко, например при някои видове радиоактивно разпадане, преди да се анихилира при контакт с нормалната материя.

Ние съществуваме в материален свят, затова учените смятат, че трябва да има минимални разлики в свойствата на материята и антиматерията, които да са определили превеса на обикновената материя.

Магнитен капан за антиводород към експеримента ALPHA на Големия адронен колайдер. (снимка: Niels Madsen)

ЦЕРН вече създаде малки количества антиматерия. В един от експериментите учените са запазили 309 атома антиводород, но тъй като материята и антиматерията взаимно се унищожават (анихилират) с отделяне на енергия, когато влязат в контакт, антиводородът изчезва след по-малко от 17 минути.

Възобновяването на работата на LHC ще позволи на учените да продължат да проучват уникалните свойства на антиматерията по-подробно.

"Може би ще разберем дали антиводородът пада надолу или нагоре под влияние на гравитацията", казва Сервиър.

"Това е труден, но интересен тест за фундаменталната физика. Ние очакваме, антивеществото да се ускорява под влияние на гравитацията точно по същия начин, както обикновеното вещество, но никой не го е правил преди, така че нашите идеи за това как работи гравитацията може да се обърнат с главата надолу".

Експериментът ASACUSA - капан за натрупване на антиводород: кухина (в зелено) за свръхфини преходи, шестполюсен магнит (червено / сиво) и антиводороден детектор (жълто). Схема: ЦЕРН

3. Изследване на гравитацията и другите измерения на пространство-времето

Учените искат да разберат защо гравитацията е толкова различна от другите сили на природата.

Възможно е да не чувстваме пълния ефект на гравитацията, ако се разпространява в други измерения.

Учените ще могат да проверят дали съществуват допълнителни измерения като потърсят частици, които могат да съществуват само ако тези допълнителни измерения са реални.

"Така че вместо суперсиметрията е възможно новата физика да бъде физиката на допълнителните измерения", казва Севиър.

"Теорията предполага, че ще има по-тежки версии на стандартните частици в други измерения, т. нар. частици на Калуца-Клайн, които имат по-голяма маса от тази на стандартните частици."

Една от възможните форми на допълнителни измерения, усукани, "смачкани" до размери, милиарди пъти по-малки от размера на един атом, така че не може да ги видим. В рамките на всяка от тези форми вибрира и се движи струна - основният компонент на Вселената според теорията на Калуца-Клайн и теорията на струните. Илюстрация: Wikimedia Commons

Тези частици могат да се проявят само при високоенергийни сблъсъци.

4. Създаване на черни дупки

Черните дупки са места, където гравитацията е толкова силна, че дори светлината не може да избяга.

Звездните черни дупки се създават, когато гравитацията в края на живота на масивна звезда я свие в достатъчно компактна маса, която би могла да деформира пространство-времето до такава степен, от която няма връщане. 

Свръхмасивни черни дупки има в центровете на галактиките, които може да бъдат милиони и милиарди пъти масата на Слънцето.

Симулация на квантовa черна дупка в експеримента ATLAS, преди тя да се разпадне чрез процес, известен като лъчение на Хокинг. Илюстрация: ЦЕРН

Учените предполагат, че микроскопични, с  квантов размер, черни дупки, по-малки от един атом, могат да съществуват, ако има допълнителни скрити измерения.

Засега Големият адронен колайдер не е правил никакви микроскопични черни дупки, а ако ги направил, ще са били изключително малки и ще са се изпарили само за 10-27 секунди, разпадайки се или на нормални, или на суперсиметрични частици.

"Ако LHC наистина произвежда микро черни дупки, това ще бъде доказателство за съществуването на допълнителни измерения и техните необичайните следи ще ги направят лесно откриваеми", казва Севиър.

Това, което открият учените, ще зависи от броя на допълнителните измерения, масата, размерите и енергията, при която възниква черната дупка.

5. Съществуват ли гигантски убийци - стрейнджлети?

Освен черните дупки, съществува друга теоретична опасност от високоенергийните сблъсъци в LHC - че може да възникне нещо, наречено убиецът стрейнджлет.

Хипотетичните субатомни обекти от странна материя, наречени стрейнджлет ("странна капка" - от англ. strangelet — strange + droplet) са съставени от почти равен брой горни, долни и странни кварки, които според теорията ще са по-стабилни, когато нарастнат по-големи.

Според една теория стрейнджлетите трябва да променят обикновената материя в рамките на една милионна част от секундата и в крайна сметка ще унищожат Земята, като я превърнат в един единствен гигантски убиец стрейнджлет.

Но Сервиър твърди, че това е малко вероятно да се случи.

"Надявам се, да можем да намерим стрейнджлет, защото това ще бъде изключително интересно", казва Сервиър.

"Аз не съм обезпокоен, защото Земята и другите планети са били бомбардирани от изключително високо енергийните космически лъчи и ако тази странна материя можеше да превръща обикновената материя в стрейнджлет, тогава ние би трябвало вече да сме унищожени преди милиарди години."

"Това че ние все още сме тук, е отлично доказателство, че не трябва да се тревожим за това."

Невъзможно е да знаем какви открития предстоят. Но можем да бъдем напълно сигурни, че пътят към тях ще бъде вълнуващ и можем да се надяваме, че тази невероятна научна работа, извършвана от учени от целия свят, включително и от България, ще разкрие отговорите на някои от най-дълбоките загадки на Вселената. 


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
10 ноември 2019 в 10:201
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.