Lielais hadronu pretkūļu paātrinātājs

Lielais hadronu (pretkūļu) paātrinātājs jeb Lielais hadronu kolaiders (angļu: Large Hadron Collider, LHC) ir Eiropas kodolpētījumu centra CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) lieljaudas daļiņu paātrinātājs hadronu(protonu un smago jonu) paātrināšanai. Viens no LHC projekta pamatmērķiem ir tā saucamā Higsa bozona pastāvēšanas eksperimentāla pierādīšana. Tiek plānota arī W un Z bozonu īpašību, sevišķi augstas enerģijas kodolu mijiedarbības, smago t un b kvarku rašanās un citu, tai skaitā ārpus Standartmodeļa esošu fizisku parādību izpēte. Ar šī pretkūļu paātrinātāja palīdzību zinātnieki cer pierādīt vai atspēkot supersimetrijas teoriju.

Tehniskie dati

LHC pēc tā iedarbināšanas kļūs par vislielāko augstas enerģijas elementārdaļiņu paātrinātāju pasaulē. Enerģija gandrīz par kārtu pārsniegs ASV Fermi laboratorijas protonu-antiprotonu kolaiderā Tevatron jeb Tevatronā un ASV Brukheivenas laboratorijas smago jonu relatīvistiskajā kolaiderā RHIC iegūstamo. Pretkūļu paātrinātāja sistēmas masu centrā tiks radītas protonu sadursmes ar summāro enerģiju 14 TeV (14 teraelektronvolti jeb 14·10¹² elektronvoltu). Varēs realizēt arī svina atomu kodolu sadursmes ar enerģiju 5,5 GeV (gigaelektronvoltu) uz katru sadurošos nuklonu pāri.
LHC galvenā tuneļa garums ir 26,7 km un tas izbūvēts apmēram 100 m dziļumā Francijas un Šveices teritorijā. Lādēto daļiņu kūļu noturēšanai un korekcijai izmantoti 1624 supravadoši magnēti ar kopējo garumu vairāk kā 22 km.

Zinātniskās problēmas, ko paredzēts atrisināt ar LHC palīdzību

20. gadsimta sākumā fizikā tika radītas divas fundamentālas teorijas – Einšteina vispārīgā relativitātes teorija (apraksta Visumu makrolīmenī) un kvantu lauka teorija, kas Visumu apraksta mikrolīmenī. Šīs teorijas nav savietojamas viena ar otru. Piemēram, lai adekvāti aprakstītu melnos caurumus, nepieciešams pielietot abas teorijas, taču tās dažviet ir pretrunīgas. Pat ja netiek apskatīti tādi ekstrēmi gadījumi, mūsdienu fiziķiem šāda situācija nav pieņemama. Jau Alberts Einšteins sava mūža pēdējos gados mēģināja izstrādāt vienotā lauka teoriju, taču tolaik nebija pieejams pietiekams faktu materiāla daudzums. Tomēr 20. gadsimta otrajā trešdaļā fiziķiem izdevās izveidot tā saucamo Standartmodeli, kas apvienoja trīs no četrām fundamentālajām mijiedarbībām – stipro, vājo un elektromagnētisko.
20. gadsimta beigās sāka izstrādāt teoriju, kas spētu apvienot visas četras mijiedarbības, ietverot arī gravitāciju. Tomēr pievienot Standartmodelim gravitāciju izrādījās pārlieku sarežģīti. Tādējādi šobrīd (21. gadsimta sākumā) fundamentālās sadarbes apraksta divas vispārpieņemtas teorijas – vispārējā relativitātes teorija un Standartmodelis. Tās nav izdevies apvienot kvantu gravitācijas teorijas izveidošanas grūtību dēļ. Šīs grūtības fiziķi cenšas pārvarēt ar dažādām metodēm, kam joprojām nav eksperimentāla pamatojuma – stīgu teoriju, brānu teoriju, M-teoriju. Atbilstošu eksperimentu veikšanai nepieciešamas gigantiskas enerģijas, ko nevar sasniegt pašreizējos daļiņu paātrinātājos, un cerības tiek liktas uz Lielo hadronu pretkūļu paātrinātāju.

Virsotnes kvarku izpēte

Virsotnes kvarks jeb t kvarks ir pats smagākais no kvarkiem (tas uzskatāms arī par pašu smagāko no visām pašlaik atklātajām elementārdaļiņām). Milzīgās masas (ap 170 GeV) dēļ šo kvarku izdevies novērot tikai vienā paātrinātājā – Tevatronā, jo citos paātrinātājos iegūstamā enerģija ir nepietiekama. Virsotnes kvarki sevišķi interesē zinātniekus, jo kopā ar virsotnes kvarka un antikvarka pāri teorētiski var rasties Higsa bozons. Lai varētu šādu notikumu atdalīt no "fona" notikumiem, virsotnes kvarku īpašības ir rūpīgi jāizpēta.

Higsa mehānisma izpēte

Viens no LHC projekta pamatmērķiem ir Standartmodeļa hipotētiskās daļiņas, – Higsa bozona –, pastāvēšanas eksperimentāla pierādīšana. Fiziķus interesē mazāk pats Higsa bozons, nekā elektrovājās simetrijas neievērošanas (laušanas) Higsa mehānisms, kura izpēte var novest pie dziļākas mūsu pasaules teorijas izveides salīdzinājumā ar esošo Standartmodeli.

Kvarku-gluonu plazmas izpēte

Paredzēts, ka apmēram vienu mēnesi gadā paātrinātājs tiks darbināts kodolu sadursmju režīmā – tajā tiks satriektas kopā nevis protonu, bet svina atomu kodolu plūsmas. Saduroties diviem ultrarelatīvistiskiem (gandrīz ar gaismas ātrumu lidojošiem) kodoliem, īsā mirklī rodas un sabrūk ārkārtīgi karsts un blīvs kodolvielas sakopojums, kurā vairs nav atsevišķu nuklonu un kuru dēvē par kvarku-gluonu plazmu. Kvarku-gluonu plazmā notiekošo procesu izpētei ir ļoti liela nozīme stiprās mijiedarbības teorijas pilnveidošanā. Šai teorijai ir būtiska nozīme kā kodolfizikā, tā arī astrofizikā.

Supersimetrijas meklējumi

LHC ļaus veikt eksperimentus, kas var pierādīt vai atspēkot tā saucamo supersimetrijas teoriju. Supersimetrija paredz katrai elementārdaļiņai daudz smagāku partneri jeb "superdaļiņu". Uz supersimetriju balstās vesels spektrs fizikas teoriju, kas operē ar dimensiju skaitu, kas lielāks par 4 (piemēram, superstīgu teorija). Supersimetrijas eksistences apstiprinājums netieši apstiprinās arī šo teoriju patiesumu.

Fotonu-hadronu un fotonu-fotonu sadursmju izpēte

Protoni ir elektriski lādētas daļiņas, tādēļ protons rada ap sevi virtuālu fotonu mākoni. Ultrarelatīvistiskam protonam šie fotoni ir gandrīz reāli un spēj iedarboties ar pretī lidojošu protonu vai pat tādu pašu fotonu. Vēl izteiktāks šis efekts ir kodolu sadursmju gadījumā, jo kodola lādiņš ir daudz lielāks.

Dažādu eksotisku teoriju pārbaude

Pēdējos gados teorētiskā fizika izvirzījusi lielu daudzumu neparastu un interesantu ideju par mūsu pasaules uzbūvi. Šīs teorijas kopā dēvē par "eksotiskajiem modeļiem". Pie tām pieder stiprās gravitācijas teorijas, kas darbojas 1 TeV enerģiju mērogā; dažādi modeļi ar papildu telpas dimensijām; preonu modeļi, kas kvarkus un leptonus uzskata par saliktām daļiņām; modeļi, kas ievieš jaunus mijiedarbību tipus. Šāda teoriju daudzveidība rodas eksperimentālo datu trūkuma dēļ, jo ar esošajiem datiem visi eksotiskie modeļi ir savietojami. Ar LHC palīdzību zinātnieki plāno pārbaudīt šo teoriju sniegtos paredzējumus un meklēt iegūtajos jaunajos eksperimentālajos rezultātos apstiprinājumus tās vai citas teorijas pareizībai. Sagaidāms, ka eksperimentu rezultātā daudzas no esošajām teorijām tiks atzītas par kļūdainām, tomēr ir varbūtība, ka kāda no tām "trāpīs mērķī" un aizsāks jaunu elementārdaļiņu fizikas attīstības posmu.

Citi pētījumi

Tiek plānota dažādu fizisku parādību izpēte ārpus Standartmodeļa ietvariem, W un Z bozonu īpašību tālāka izpēte, smago kvarku rašanās un sabrukšanas procesu izpēte, kodolu mijiedarbību izpēte pie sevišķi augstām enerģijām.