Znajdź zawartość

Badacze z Wielkiego Zderzacza Hadronów, pracujący przy eksperymencie LHCb poinformowali o zaobserwowaniu hipertrytona oraz antyhipertrytona. Ślady ponad 100 tych rzadkich hiperjąder znaleziono podczas analizy danych ze zderzeń protonów prowadzonych w latach 2016–2018. Rejestrowanie takich jąder to wisienka na torcie osiągnięć LHC, gdyż instrument nie został zaprojektowany do ich poszukiwania. Hiperjądro to takie jądro atomowe, w którym jeden z nukleonów (protonów lub neutronów), został zastąpiony przez hiperon, czyli barion zawierający kwark dziwny, ale nie zawierający ani kwarku b, ani kwarku powabnego. Czas życia hipertrytona i jego antycząstki wynosi około 240 pikosekund (ps) czyli 240 bilionowych części sekundy. Jak krótki to czas, niech świadczy fakt, że w tym czasie światło jest w stanie przebyć około 7 centymetrów. Zarejestrowany hipertryton jest zbudowany z protonu, neutronu i najlżejszego z hiperonów, hiperona Λ0 (lambda 0), a antyhipertryton zawiera ich antycząstki. Jako, że hipertryton i antyhipertryton zawierają hiperon, ich badaniem zainteresowana jest astrofizyka, gdyż tworzenie się hiperonów z kwarkiem dziwnym jest najbardziej korzystne energetycznie w wewnętrznych warstwach jądra gwiazd. Zatem poznanie sposobu powstawania hiperonów pozwoli na lepsze modelowanie jąder gwiazd. Równie interesujące dla badaczy kosmosu jest jeden z produktów rozpadu hipertrytona i jego antycząstki. Jest nim hel-3 – i, oczywiście, antyhel-3 – pierwiastek obecny w kosmosie, który może zostać wykorzystany do badania ciemnej materii. Z jednej strony jądra i antyjądra powstają w wyniku zderzeń materii międzygwiezdnej z promieniowaniem kosmicznym, z drugiej, mogą – przynajmniej teoretycznie – powstawać podczas anihilacji materii i antymaterii. Jeśli chcemy poznać dokładną liczbę jąder i antyjąder, które z kosmosu docierają do Ziemi, potrzebujemy precyzyjnych informacji na temat ich powstawania i anihilacji. « powrót do artykułu

CERN podjął pierwsze praktyczne działania, których celem jest zbudowania następcy Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC). Future Circular Collider (FCC) ma mieć 91 kilometrów długości, a plany zakładają, że jego tunel będzie miał 5 metrów średnicy. Urządzenie będzie więc ponaddtrzykrotnie dłuższe od LHC. Akcelerator, który ma powstać w granicach Francji i Szwajcarii, będzie tak olbrzymi, by osiągnąć energię zderzeń sięgającą 100 TeV (teraelektronowoltów). Energia zderzeń w LHC wynosi 14 TeV. Specjaliści z CERN przeprowadzili już analizy teoretyczne, a obecnie rozpoczynają etap działań polowych. Miejsca, w których mają przebiegać FCC zostaną teraz poddane ocenie środowiskowej, a następnie przeprowadzone zostaną szczegółowe badania sejsmiczne i geotechniczne. Trzeba w nich będzie uwzględnić również osiem naziemnych ośrodków naukowych i technicznych obsługujących olbrzymią instalację. Po ukończeniu wspomnianych badań, a mogą one zająć kilka lat, 23 kraje członkowskie CERN podejmą ostateczną decyzję dotyczącą ewentualnej budowy FCC. Poznamy ją prawdopodobnie za 5–6 lat. W FCC mają być początkowo zderzane elektrony i pozytony, a następnie również hadrony. Zadaniem FCC ma być m.in. znalezienie dowodu na istnienie ciemnej materii, szukanie odpowiedzi na pytanie o przyczyny przewagi ilości materii nad antymaterią czy określenie masy neutrino. Fizycy przewidują, że możliwości badawcze Wielkiego Zderzacza Hadronów wyczerpią się około połowy lat 40. Problem z akceleratorami polega na tym, że niezależnie od tego, jak wiele danych dzięki nim zgromadzisz, natrafiasz na ciągle powtarzające się błędy. W latach 2040–2045 osiągniemy w LHC maksymalną możliwą precyzję. To będzie czas sięgnięcia po potężniejsze i jaśniejsze źródło, które lepiej pokaże nam kształt fizyki, jaką chcemy zbadać, mówi Patrick Janot z CERN. W 2019 roku szacowano, że koszt budowy FCC przekroczy 21 miliardów euro. Inwestycja w tak kosztowne urządzenie spotkała się z krytyką licznych specjalistów, którzy argumentują, że przez to może zabraknąć funduszy na inne, bardziej praktyczne, badania z dziedziny fizyki. Jednak zwolennicy FCC bronią projektu zauważając, iż wiele teoretycznych badań przekłada się na życie codzienne. Gdy stworzono działo elektronowe, powstało ono na potrzeby akceleratorów. Nikt nie przypuszczał, że dzięki temu powstanie telewizja. A gdy tworzona była ogólna teoria względności, nikomu nie przyszło do głowy, że będzie ona wykorzystywana w systemie GPS, zauważa Janot. Wśród innych korzyści zwolennicy budowy FCC wymieniają fakt, że zachęci on do trwającej dziesięciolecia współpracy naukowej. Zresztą już obecnie z urządzeń CERN korzysta ponad 600 instytucji naukowych i uczelni z całego świata. « powrót do artykułu

Badacze z całego świata będą po raz drugi debatować nad przyszłością nowego kierunku badań w Wielkim Zderzaczu Hadronów pod Genewą, który ma zaowocować szczegółowymi pomiarami wysokoenegetycznych neutrin oraz otworzy nowe drogi poszukiwań ciemnej materii. Współautorem dyskutowanej propozycji nowego eksperymentu FLArE jest dr Sebastian Trojanowski z AstroCeNT i Zakładu Fizyki Teoretycznej NCBJ. Planowane ponowne uruchomienie Wielkiego Zderzacza Hadronów jest jednym z najbardziej wyczekiwanych wydarzeń w świecie fizyki. Przy tej okazji, zostanie również zainicjowany nowy kierunek badań w LHC, obejmujący pomiary wysokoenergetycznych neutrin oraz poszukiwania śladów nowej fizyki w kierunku wzdłuż osi wiązki zderzenia protonów. Ten nietypowy sposób wykorzystania zderzacza został zaproponowany przez autorów koncepcji detektora FASER (odnośniki w uzupełnieniu). Jednym z jego pomysłodawców był dr Sebastian Trojanowski związany z ośrodkiem badawczym AstroCeNT przy Centrum Astronomicznym im. Mikołaja Kopernika PAN oraz z Narodowym Centrum Badań Jądrowych. Choć eksperyment FASER ma dopiero zacząć zbierać dane w najbliższym czasie, to już zadajemy sobie pytanie, jak rozwinąć ten pomysł do jeszcze ambitniejszego projektu w dalszej przyszłości – mówi dr Trojanowski. Dyskusje na ten temat zgromadzą w dniach 27-28 maja (w formule zdalnej) około 100 badaczy z całego świata zajmujących się fizyką cząstek elementarnych. Na spotkaniu inżynierowie z CERN zaprezentują również wstępne plany dotyczące budowy nowego laboratorium podziemnego, które mogłoby pomieścić większą liczbę eksperymentów skupionych wzdłuż osi wiązki zderzenia. Jest to projekt długofalowy, który ma na celu maksymalizację potencjału badawczego obecnego zderzacza, który powinien służyć nauce jeszcze wiele lat. Wśród kilku eksperymentów proponowanych do umieszczenia w nowym laboratorium jest m.in. bezpośredni spadkobierca detektora FASER. Eksperyment, nazwany roboczo FASER 2, znacząco poszerzyłby potencjał odkrywczy obecnego detektora. Choć ani obecny, ani proponowany przyszły eksperyment nie dają możliwości bezpośredniej obserwacji ciemnej materii, to umożliwiają one poszukiwanie postulowanych teoretycznie niestabilnych cząstek, które mogą pośredniczyć w jej oddziaływaniach. O krok dalej idą autorzy kwietniowego artykułu opublikowanego w czasopiśmie Physical Review D, prof. Brian Batell z Uniwersytetu w Pittsburgu w USA, prof. Jonathan Feng z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine oraz dr Trojanowski. Proponują oni sposób na bezpośrednią obserwację lekkich cząstek ciemnej materii w nowym laboratorium. W tym celu sugerują umieszczenie tam nowego detektora, nazwanego FLArE (ang. Forward Liquid Argon Experiment), wykorzystującego technologię ciekło-argonowej komory projekcji czasowej oraz wstępny sygnał w postaci błysku (ang. flare) scyntylacyjnego. Detektor taki byłby nowym narzędziem do bezpośredniego poszukiwania cząstek ciemnej materii poprzez badanie ich oddziaływań przy bardzo wysokich energiach oraz przy laboratoryjnie kontrolowanym strumieniu takich cząstek. Jest to metoda wysoce komplementarna względem obecnych podziemnych eksperymentów poszukujących cząstek pochodzących z kosmosu lub produkowanych przez promieniowanie kosmiczne – argumentuje dr Trojanowski. Pomysł na nowy detektor FLArE został błyskawicznie włączony we wstępne plany inżynieryjne nowego laboratorium oraz w dyskusje eksperymentalne, również te dotyczące przyszłych badań neutrin w LHC. Czas pokaże, czy projekt ten będzie kolejnym sukcesem na miarę FASERa, czy też zostanie zastąpiony jeszcze lepszym rozwiązaniem – komentuje dr Trojanowski. Jedno jest pewne: fizycy nie próżnują i nie ustają w wysiłkach w celu lepszego poznania praw rządzących naszym światem. « powrót do artykułu

W 1973 roku dwóch wybitnych fizyków Leszek Łukaszuk i Basarab Nicolescu ogłosiło, że z ich wyliczeń wynika, iż powinna istnieć nieznana dotychczas kwazicząstka. Odderon, bo o nim mowa, miał być kulą gluonową przewidzianą przez chromodynamikę kwantową. Ten partner znanego już wcześniej – chociaż również teoretycznie – pomeronu, miał składać się z trzech gluonów. Rozpoczęły się poszukiwania odderonu. Teraz, po niemal 50 latach, poinformowano o jego odnalezieniu. Szwedzko-węgierskiemu zespołowi naukowemu udało się znaleźć odderony w danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów i Tevatronu. Przez wiele miesięcy analizowali dane ze zderzeń protonów oraz protonów z antyprotonami. To kamień milowy w fizyce cząstek. Wspaniale jest brać udział w lepszym zrozumieniu materii, mówi Roman Pasechnik z Uniwersytetu w Lund. Współpracujemy z jednymi z najlepszych fizyków cząstek na świecie. Byli zdumieni, gdy opublikowaliśmy wyniki naszej pracy, dodaje. Odkrycie to efekt współpracy naukowców z eksperymentu TOTEM prowadzonego w LHC z badaczami z eksperymentu D0 z Fermilab. Uzyskane wyniki dotykają najbardziej istotnych zagadnień chromodynamiki kwantowej, szczególnie zaś interakcji pomiędzy gluonami i faktu, że nieparzysta liczba gluonów może nie posiadać koloru. Bardzo ważnym elementem odkrycia jest fakt, że dane pozwalające na jego dokonanie pochodzą z LHC i Tevatronu, które pracowały z różnymi energiami, mówi rzecznik TOTEM Simone Giani. Stany składające się z dwóch lub więcej gluonów zwane są kulami gluonowymi. Są bardzo szczególnymi obiektami złożonymi wyłącznie z nośników oddziaływań silnych. Postępy chromodynamiki kwantowej pozwoliły na przewidzenie istnienia odderonu, ale do jego wykrycia potrzebne były bardzo szczegółowe dane ze zderzeń protonów. Większość wysokoenergetycznych kolizji protonów kończy się ich rozbiciem na tworzące je kwarki i gluony. Jednak w około 25% przypadków dochodzi do elastycznego odbicia. Protony nie ulegają zniszczeniu, ale odbiciu i rozproszeniu. Przy wysokich energiach różnice w elastycznym rozpraszaniu po kolizjach proton-proton a proton-antyproton tłumaczy się faktem, że w interakcji pomiędzy protonami pośredniczą wyłącznie gluony. W szczególności tłumaczono to wymianą pomeronu, neutralnej pod względem koloru kuli gluonowej złożonej z parzystej liczby gluonów. Jednak w 2018 roku badacze z TOTEM poinformowali o uzyskaniu wyników, których nie dało się wytłumaczyć w powyższy sposób. Wydawało się, że w grę wchodzi tutaj jeszcze jakiś obiekt z dziedziny chromodynamiki kwantowej. Musiała być nim kula glonowa składająca się co najmniej z trzech lub innej nieparzystej liczby gluonów. Była to silna wskazówka, ale jeszcze nie odkrycie. Teraz dokonano niezależnej analizy, w której wzięto pod uwagę wyniki zderzeń protonów z LHC dokonywanych przy energiach 2,76 TeV, 7 TeV, 8 TeV oraz 13 TeV. Ponadto wyniki te ekstrapolowano na energię 1,96 TeV. Dodatkowo w analizie uwzględniono wyniki z Tevatronu, gdzie zderzano protony i antyprotony przy energii 1,96 TeV. Ponownie znaleziono dowody na istnienie odderonu. Gdy wyniki te porównano z danymi ze zderzeń z eksperymentu TOTEM dokonanych przez eksperyment TOTEM, uzyskano pewność, że mamy do czynienia z odkryciem. Prawdopodobieństwo statystyczne uzyskanych wyników wynosi 5,2–5,7, zatem mówimy o pierwszym eksperymentalnym potwierdzeniu istnienia odderonu, mówi Christophe Royon, który prezentował wyniki podczas spotkania w CERN. Z pracą Evidence of Odderon-exchange from scaling properties of elastic scattering at TeV energies można zapoznać się na łamach The European Physical Journal C. « powrót do artykułu

Fizycy z Caltechu i CERN-u przeprowadzili badania, które pozwoliły im na obserwowanie niezwykle rzadkich zjawisk fizycznych. Dzięki wykorzystaniu eksperymentu CMS (Compact Muon Solenoid) mogli jako pierwsi w historii obserwować triplety złożone z bozonów W i Z. To bozony cechowania, będące nośnikami oddziaływań słabych, a więc jednego z czterech rodzajów oddziaływań podstawowych (pozostałe to oddziaływanie grawitacyjne, elektromagnetyczne i silne). Różnica pomiędzy bozonami W i Z polega na tym, że bozon Z jest neutralny, a bozony W mają ładunek elektryczny (dodatni lub ujemny). Bozony W i Z są odpowiedzialne za radioaktywność, stanowią podstawowy element procesu termonuklearnego zachodzącego w Słońcu. Do powstania tripletów doszło podczas zderzeń wysokoenergetycznych protonów przyspieszonych do prędkości bliskich prędkości światła. Podczas takich kolizji w niezwykle rzadkich przypadkach – w 1 na 1 000 000 000 000 zderzeń – pojawiają się triplety WWW, WWZ, WZZ i ZZZ. Jak mówi jeden z autorów badań, Zhicai Zhang, takie wydarzenia są 50-krotnie rzadsze niż pojawienie się bozonu Higgsa. Jak mówi główny autor badań, profesor Harvey Newman, obserwacja tych tripletów nie była głównym celem eksperymentów. Jednak dzięki zebraniu danych na temat tego i innych rzadkich zjawisk, naukowcy mogą z coraz większą precyzją testować Model Standardowy. Takie testy są zaś konieczne, jeśli chcemy rozszerzyć nasze pojmowanie fizyki poza ten model. Z obserwacji obrotu i rozkładu galaktyk wiemy, że musi istnieć ciemna materia, która wywiera oddziaływanie grawitacyjne na materię. Jednak ciemna materia nie mieści się w Modelu Standardowym. Nie ma tam miejsca na ciemne cząstki, na grawitację, model ten nie działa w skalach energii wczesnego wszechświata zaraz po Wielkim Wybuchu. Wiemy, że musi istnieć bardziej podstawowa od Modelu Standardowego, nieodkryta jeszcze teoria, mówi Newman. Naukowcy przygotowują obecnie Wielki Zderzacz Hadronów do kolejnej trzyletniej kampanii badawczej, zaplanowanej na lata 2021–2024. Pod jej koniec główne eksperymenty LHC będą zdolne do zbierania 30-krotnie większej ilości danych niż obecnie. Mamy tutaj duży, wciąż niezrealizowany potencjał. Ilość danych, jakie obecnie zbieramy, to jedynie kilka procent tego, co spodziewamy się gromadzić po rozbudowie CMS i LHC do High Luminosity LHC, który ma ruszyć w 2027 roku. Ma on pracować przez 10 lat. Jesteśmy dopiero na początku przewidzianych na 30 lat badań, dodaje Newman. Szczegółowy opis eksperymentu, w ramach którego obserwowano triplety bozonów W i Z, można przeczytać na stronach CERN-u. « powrót do artykułu

Japoński akcelerator cząstek SuperKEKB pobił światowy rekord świetlności. Pracujący przy nim naukowcy obiecują, że to dopiero początek. W ciągu najbliższych lat chcą zwiększyć świetlność urządzenia aż 40-krotnie, co ma pozwolić zarówno na odkrycie ciemnej materii, jak i wyjście z fizyką poza Model Standardowy. Mamy nadzieję, że akcelerator pozwoli nam wykryć ciemną materię – o ile ona istnieje – i badać ją w niedostępny obecnie sposób, mówi profesor Kay Kinoshita z University of Cincinnati. Świetlność akceleratora to liczba kolizji, która w nim zachodzi. Podczas tych zderzeń powstają nowe cząstki. Im więc więcej zderzeń, tym więcej cząstek, więcej danych i większa szansa n a zarejestrowanie czegoś nowego. SuperKEKB zderza pozytony i elektrony przyspieszane w 3-kilometrowym tunelu. Akcelerator został uruchomiony w 2018 roku i naukowcy ciągle pracują nad zwiększaniem jego jasności. Profesor Alan Schwartz i jego studenci z University of Cincinnati zaprojektowali i zbudowali jeden z detektorów akceleratora. To krok milowy w projektowaniu akceleratorów. SuperKEKB wykorzystuje architekturę tzw. „nano strumieni”. W technice tej strumienie cząstek są ściskane wzdłuż osi pionowej, dzięki czemu są bardzo cienkie, wyjaśnia Schwartz. To pierwszy na świecie akcelerator, który korzysta z tej techniki. Ze względu na rozmiary cząstek, szansa, że dojdzie do zderzenia, jest niewielka. Im bardziej ściśnięty strumień, tym większe zagęszczenie cząstek i tym większe prawdopodobieństwo zderzeń. Obecnie wysokość wiązki w punkcie zderzenia wynosi 220 nanometrów. W przyszłości ma to być zaledwie 50 nanometrów, czyli około 1/1000 grubości ludzkiego włosa. Profesor Kay Kinoshita poświęciła całą swoją naukową karierę zagadnieniu zwiększania świetlności akceleratorów. Uczona pracuje nad tym zagadnieniem od 1982 roku. To bardzo interesujące, gdyż jest bardzo wymagające. Wiesz, że robisz coś, czego nikt nigdy nie zrobił, mówi. Poprzednik SuperKEKB, akcelerator KEKB, który działał w latach 1999–2010 w KEK (Organizacja Badań nad Akceleratorami Wysokich Energii), również był światowym rekordzistą. Urządzenie pracowało ze świetlnością 2,11x1034 cm-2s-1. Dopiero w 2018 roku rekord ten został pobity przez Wielki Zderzacz Hadronów, który osiągnął świetlność 2,14x1034 cm-2s-1. Rekord LHC nie utrzymał się długo, dnia 15 czerwca 2020 roku SuperKEKB osiągnął świetlność 2,22x1034 cm-2s-1. Już tydzień później, 21 czerwca naukowcy poinformowali o nowym rekordzie. Teraz SuperKEKB pracuje ze świetlnością wynoszącą 2,40x1034 cm-2s-1. W ciągu najbliższych lat świetlność SuperKEKB ma wzrosnąć 40-krotnie. Docelowo ma ona wynieść 8x1035 cm-2s-1. Sukces SuperKEKB to sukces międzynarodowej współpracy. Nadprzewodzące magnesy, które ostatecznie skupiają strumienie cząstek zostały zbudowane we współpracy z amerykańskimi Brookhaven National Laboratory oraz Fermi National Accelerator Laboratory. Systemy monitorowania kolizji to dzieło SLAC National Accelerator Laboratory i University of Hawaii. Naukowcy ze Szwajcarii (CERN), Francji (IJCLab), Chin (IHEP) i USA (SLAC) biorą udział w pracach i badaniach, w których wykorzystywany jest akcelerator. Wykorzystujący diament system monitorowania promieniowania oraz system przerywania wiązki to dzieło włoskich Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej oraz Uniwersytetu w Trieście, a system monitorowania jasności powstał w Rosji. Wiązki elektronów i pozytonów rozpędzane w SuperKEKB zderzają się w centrum detektora Belle II, który opisywaliśmy przed 2 laty. To niezwykłe urządzenie zostało zbudowane przez grupę 1000 fizyków i inżynierów ze 119 uczelni z 26 krajów świata. I to właśnie wewnątrz Belle II naukowcy mają nadzieję znaleźć ciemną materię i rozpocząć badania jej właściwości. « powrót do artykułu

Analiza danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów wskazuje, że w LHC powstają podwójne pary kwark t/antykwark t. Najnowsze odkrycie jest pierwszym krokiem w kierunku przetestowania prawdziwości hipotezy mówiącej, że podwójne pary kwarków t pojawiają się częściej niż wynika to z Modelu Standardowego. Kwarki t to najcięższe cząstki elementarne. Każdy z nich ma masę podobną do masy atomu wolframu. Jednocześnie, jako że kwarki t są znacznie mniejsze od protonu, oznacza to, iż są najgęstszą formą materii. Kwarki t powstały podczas Wielkiego Wybuchu, jednak błyskawicznie się rozpadły. Obecnie możemy je uzyskiwać i badać jedynie w akceleratorach cząstek. Pierwsze kwarki t zostały odkryte w 1995 roku w akceleratorze Tevatron w Fermilab. Tevatron był wówczas najpotężniejszym akceleratorem na świecie i można w nim było uzyskać parę kwark t/antykwark t raz na kilka dni. Tevatron – najbardziej zasłużony dla nauki akcelerator cząstek – został wyłączony w 2011 roku, po uruchomieniu Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC). LHC pracuje z 6,5-krotnie większymi energiami niż Tevatron, a do zderzeń dochodzi w nim około 100-krotnie częściej. Dzięki temu w urządzeniach ATLAS i CMS, będących częścią LHC, możliwe jest uzyskiwanie par kwark t/antykwark t co sekundę. Niedawno naukowcy analizowali dane z eksperymentu ATLAS, by sprawdzić, jak często powstają podwójne pary kwark t/antykwark t. Model Standardowy przewiduje, że powinny one powstawać około 70 000 razy rzadziej niż pojedyncze pary kwark t/antykwark t. Analizie poddano dane z eksperymentów ATLAS i CMS z lat 2015–2018. Okazało się, że w przypadku eksperymentu ATLAS pewność uzyskiwania tam podwójnych par kwarków t wynosi sigma 4.3, a w przypadku CMS jest to sigma 2.6. Dotychczas uważano, że w obu przypadkach wartość ta wynosi 2.6. Sigma to miara pewności statystycznej. Fizycy cząstek mówią o odkryciu, gdy wartość sigma wynosi 5 lub więcej. Oznacza to bowiem, że prawdopodobieństwo, iż mamy do czynienia z przypadkową fluktuacją, a nie z prawdziwą obserwacją, wynosi 1:3500000. Wartość sigma 3 oznacza, że prawdopodobieństwo wystąpienia przypadkowej fluktuacji wynosi 1:740. Wówczas mówi się o dowodzie, wymagającym dalszych potwierdzeń obserwacyjnych. Osiągnięcie wartości 4.6 oznacza, że jesteśmy bardzo blisko potwierdzenia, że w LHC powstają podwójne pary kwarków t. A gdy już zostanie to potwierdzone, można będzie sprawdzić, czy częstotliwość ich powstawania jest zgodna z Modelem Standardowym. « powrót do artykułu

Europejska Organizacja Badań Jądrowych CERN pod Genewą zatwierdziła kilka dni temu nowy eksperyment, który będzie badał własności najlżejszych cząstek materii, tzw. neutrin. Jest to pierwszy tego typu eksperyment przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), który rozpocznie nową erę badań nad neutrinami. W pracach nad projektem istotną rolę odegrał dr Sebastian Trojanowski z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ). Planowany eksperyment FASERν (na końcu nazwy grecka mała litera „ni”) ma być nie tylko pierwszym takim detektorem w samym LHC, ale też w całej historii podobnych doświadczeń, w których dwa strumienie cząstek lecących w przeciwległych kierunkach zderzają się ze sobą. Otwiera to nową, fascynującą erę badań nad neutrinami, które są najbardziej nieuchwytnymi spośród znanych nam obecnie cząstek elementarnych. Neutrina produkowane w LHC to najbardziej energetyczne neutrina wytworzone kiedykolwiek przez człowieka. Można je jedynie porównać do neutrin powstałych w ekstremalnych zjawiskach takich jak zderzenia wysoko energetycznych promieni kosmicznych z atmosferą ziemską. Eksperyment FASERν przy LHC umożliwi laboratoryjne badanie tych cząstek przy energiach, dla których jak dotąd nie było to możliwe. Detektor FASERν będzie częścią większego, niedawno zatwierdzonego eksperymentu FASER, którego jednym z czterech pomysłodawców jest dr Sebastian Trojanowski związany z NCBJ oraz Uniwersytetem w Sheffield w Wielkiej Brytanii. FASERν to wyjątkowo mały detektor w porównaniu z typowymi eksperymentami neutrinowymi – mówi dr Trojanowski, który był bezpośrednio zaangażowany w prace przygotowawcze prowadzące do zatwierdzenia nowego detektora. Będzie to prostopadłościan o długości nieco ponad metra i szerokości jedynie 25cm. Tak niewielki rozmiar można było uzyskać dzięki precyzyjnemu dobraniu lokalizacji detektora, w miejscu gdzie trafia przeważająca część bardzo silnej wiązki neutrin produkowanych w LHC w punkcie kolizji protonów w detektorze ATLAS. Instalację nowego detektora będzie można przeprowadzić bardzo szybko, a zbieranie pierwszych danych rozpocznie się wraz z ponownym uruchomieniem LHC już w 2021 roku. FASERν może również utorować drogę do innych eksperymentów neutrinowych w przyszłych zderzaczach cząstek, zaś rezultaty tych eksperymentów będą mogły zostać użyte podczas planowania przyszłych, znacznie większych detektorów neutrin – mówi dr Jamie Boyd, jeden z liderów projektu FASER, na co dzień pracujący w ośrodku CERN pod Genewą. Choć nowy detektor FASERν jest osobnym instrumentem badawczym w stosunku do głównego detektora FASER zatwierdzonego wcześniej w tym roku, współgranie obydwu części eksperymentu może odegrać kluczową rolę w prowadzonych badaniach nad fizyką neutrin. Dodatkowo, w gronie kilku fizyków teoretyków z NCBJ oraz laboratorium SLAC w Stanach Zjednoczonych przeprowadziliśmy już pierwsze analizy ekscytujących perspektyw na odkrycie całkiem nowych cząstek elementarnych przy współudziale obu części eksperymentu FASER. Planujemy dalsze takie badania w przyszłości – wyjaśnia dr Trojanowski. Badania wysoko energetycznych neutrin nie tylko pomogą nam lepiej zrozumieć przebieg burzliwych zdarzeń nieustannie zachodzących na styku atmosfery ziemskiej z przestrzenią kosmiczną, lecz również rzucą więcej światła na naturę oddziaływań tych trudnych do detekcji cząstek. Teoretyczne spekulacje dotyczące istnienia neutrin sięgają lat 30. XX wieku, ale pierwsza ich eksperymentalna obserwacja nastąpiła dopiero niemal ćwierk wieku później. W późniejszym okresie opracowano teoretycznie dość szczegółowy opis oddziaływań neutrin z innymi cząstkami materii, który nadal jednak nie został dogłębnie przetestowany eksperymentalnie, szczególnie w obszarze wysokich energii charakterystycznych dla detektora FASERν. Jednym z głównych celów eksperymentu będzie sprawdzenie, czy dokładne pomiary własności neutrin w tym zakresie energii są zgodne z przewidywaniami teoretycznymi i naszym obecnym stanem wiedzy, czy też nadszedł czas na weryfikację tych poglądów. Badanie neutrin jest jedną ze specjalności polskich fizyków i współpracujących kilku polskich ośrodków. Między innymi Warszawska Grupa Neutrinowa, której istotną część stanowią naukowcy z NCBJ, bierze udział w wielkim eksperymencie neutrinowym T2K w Japonii i przygotowuje kolejny eksperyment z planowanym jeszcze potężniejszym detektorem HyperKamiokande. W porównaniu z wielkimi eksperymentami neutrinowymi ulokowanymi w kopalniach jak T2K czy oceanach lub lodach Antarktydy, FASERν jest nową jakością i powinien dać naukowcom cenne oraz stosunkowo tanie narzędzie badania otaczającego nas świata. « powrót do artykułu

Naukowcy z Fermilab poinformowali o wygenerowaniu najsilniejszego pola magnetycznego stworzonego na potrzeby akceleratorów cząstek. Nowy rekord wynosi 14,1 tesli, a wynik taki uzyskano w magnecie schłodzonym do 4,5 kelwinów, czyli -268,65 stopnia Celsjusza. Poprzedni rekord, 13,8 tesli, został osiągnięty przed 11 laty w Lawrence Berkeley National Laboratory. Zwiększenie indukcji magnetycznej to znaczące osiągnięcie w fizyce cząstek. Silniejsze magnesy mogą posłużyć do zbudowania doskonalszych akceleratorów, które zastąpią w przyszłości Wielki Zderzacz Hadronów (LHC). Magnesy są wykorzystywane w akceleratorach do kontrolowania poruszających się cząstek. Im są silniejsze, tym łatwiej kontrolować cząstki poruszające się niemal z prędkością światła. Przez kilkanaście lat pracowaliśmy nad przekroczeniem granicy 14 tesli, więc to ważne osiągnięcie. W pierwszym teście uzyskaliśmy 14,1 tesli na demonstracyjnym magnesie, dla którego teoretyczna granica wynosi 15 tesli. Pracujemy nad wyciśnięciem z niego jeszcze więcej, mówi Alexander Zlobin, który stoi na czele grupy badawczej. Przyszłość zderzaczy hadronów zależy od dostępności silnych magnesów, dlatego fizycy na całym świecie są zainteresowani pracami mającymi na celu stworzenie niobowo-cynowych magnesów o indukcji 15 tesli. Sercem takiego urządzenia jest nadprzewodzący stop niobu z cyną. Prąd przepuszczany przez magnes powoduje pojawienie się pola magnetycznego. Jako, że materiał schłodzony jest do bardzo niskich temperatur, prąd nie napotyka oporu, nie dochodzi do generowania energii cieplnej. Całe energia elektryczna przyczynia się do wygenerowania pola magnetycznego. Indukcja zależy zaś od maksymalnego napięcia prądu, jakie może znieść dany materiał. Niobowo-tytanowe magnesy Wielkiego Zderzacza Hadronów nie są w stanie pracować z napięciem, które pozwalałoby na osiągnięcie 15 tesli. Można to uzyskać magnesach niobowo-cynowych, problem jednak w tym, że są one kruche i mogą się rozsypać pod wpływem działających na nie olbrzymich sił. Zespół z Fermilab stworzył taką architekturę magnesu, która go wzmacnia i pozwala przetrzymać ściskające i rozciągające go siły. Dziesiątki przewodów o okrągłym przekroju zostało skręconych w odpowiedni sposób, by uzyskane przewody spełniały specyficzne wymagania elektryczne i mechaniczne. Po utworzeniu z kabli zwojów całość była podgrzewana przez dwa tygodnie w temperaturach sięgających niemal 650 stopni Celsjusza, co nadało materiałowi właściwości nadprzewodzące. Następnie zwoje zostały zamknięte w żelaznych obejmach zamkniętych aluminiowymi klamrami, na co nałożono powłokę ochronną z nierdzewnej stali, która ma ochronić zwoje przed ich deformacją. To olbrzymie osiągnięcie, kluczowe dla rozwoju kolejnych generacji kołowych akceleratorów cząstek, mówi Soren Prestemon, naukowiec z Berkeley Lab i dyrektor U.S. Magnet Development Program, w skład którego wchodzi zespół z Fermilab. To wyjątkowy krok milowy na drodze ku opracowaniu magnesów. Osiągnięcie zostało z entuzjazmem przyjęte przez badaczy, którzy będą w przyszłości wykorzystywali akceleratory nowej generacji. Naukowcy z Fermilab zapowiadają, że w ciągu najbliższych miesięcy wzmocnią swój magnes pod względem mechanicznym i jesienią poddadzą go kolejnemu testowi, w czasie którego spróbują uzyskać 15 tesli. Ma być to wstępem do stworzenia jeszcze potężniejszych magnesów. W oparciu o ten projekt i o to, czego się nauczyliśmy, mamy zamiar udoskonalić magnesy niobowo-cynowe i w przyszłości osiągnąć 17 tesli, mówi Ziobin. Naukowiec nie wyklucza, że w przyszłości, wykorzystując nowe nadprzewodniki, jego zespół dojdzie do 20 tesli. Maksymalna indukcja pola magnetycznego magnesów LHC wynosi 8,34 tesli, czyli jest blisko górnej granicy 10 tesli dla magnesów niobowo-tytanowych. Z kolei w ubiegłym roku CERN informował o uzyskaniu dzięki magnesowi FRESCA2 14,6 tesli. FRESCA2 jest to magnes, który służy do testowania nadprzewodników, a nie do pracy wewnątrz akceleratora cząstek. « powrót do artykułu

CERN opublikował wstępny raport projektowy (Conceptual Design Report), w którym zarysowano plany nowego akceleratora zderzeniowego. Future Circular Collider (FCC) miałby być niemal 4-krotnie dłuższy niż Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) i sześciokrotnie bardziej potężny. Urządzenie, w zależności od jego konfiguracji, miałoby kosztować od 9 do 21 miliardów euro. Publikacja raportu odbyła się w ramach programu European Strategy Update for Particle Pysics. Przez dwa kolejne lata specjaliści będą zastanawiali się nad priorytetami w fizyce cząstek, a podjęte decyzje wpłyną na to, co w tej dziedzinie będzie się działo w Europie w drugiej połowie bieżącego stulecia. To olbrzymi krok, tak jakbyśmy planowali załogową misję nie na Marsa, a na Uran, mówi Gian Francesco Giudice, który stoi na czele wydziału fizyki teoretycznej CERN i jest przedstawicielem tej organizacji w Physics Preparatory Group. Od czasu odkrycia bozonu Higgsa w 2012 roku LHC nie odkrył żadnej nowej cząstki. To pokazuje, że potrzebne jest urządzenie, które będzie pracowało z większymi energiami. Halina Abramowicz, fizyk z Tel Aviv University, która kieruje europejskim procesem opracowywania strategii rozwoju fizyki cząstek, nazwała propozycję CERN „bardzo ekscytującą”. Dodała, że projekt FCC będzie szczegółowo rozważany razem z innymi propozycjami. Następnie Rada CERN podejmie ostateczną decyzję, czy należy sfinansować FCC. Jednak nie wszyscy uważają, że nowy zderzacz jest potrzebny. Nie ma żadnych podstaw, by sądzić, że przy energiach, jakie mógłby osiągnąć ten zderzacz, można będzie dokonać jakichś znaczących odkryć. Wszyscy to wiedzą, ale nich nie chce o tym mówić, stwierdza Sabine Hossenfelder, fizyk teoretyk z Frankfurckiego Instytutu Zaawansowanych Badań. Jej zdaniem pieniądze, które miałyby zostać wydane w FCC można z większym pożytkiem wydać na inne urządzenia, na przykład na umieszczenie na niewidocznej stronie Księżyca dużego radioteleskopu czy też zbudowanie na orbicie wykrywacza fal grawitacyjnych. Takie inwestycje z większym prawdopodobieństwem przyniosą znaczące odkrycia naukowe. Jednak Michael Benedikt, fizyk, który stał na czele grupy opracowującej raport nt. FCC mówi, że warto wybudować nowy zderzacz niezależnie od spodziewanych korzyści naukowych, gdyż tego typu wielkie projekty łączą instytucje naukowe ponad granicami. Hossenfelder zauważa, że podobnie łączą je inne duże projekty naukowe. Prace nad FCC rozpoczęły się w 2014 roku i zaangażowało się w nie ponad 1300 osób i instytucji. Rozważanych jest kilka konfiguracji, a większość z nich zakłada, że FCC powstanie obok LCH, a jego tunele będą miało 100 kilometrów długości. Sama budowa tunelu i powiązanej z nim infrastruktury naziemnej pochłoną około 5 miliardów euro. Kolejne 4 miliardy będzie kosztował akcelerator, w którym będą zderzanie elektrony z pozytonami. urządzenie miałoby pracować z energię do 365 gigaelektronowoltów. To mniejsza energia niż w LHC, jednak zderzenia lżejszych cząstek, jak elektron z pozytonem, dają znacznie bardziej szczegółowe dane niż zderzanie protonów, jakie zachodzi w LHC, zatem w FCC można by bardziej szczegółowo zbadać np. bozon Higgsa. FCC miałby zostać uruchomiony około roku 2040. Warto tutaj na chwilę się zatrzymać i przypomnieć opisywany przez nas projekt International Linear Collider. Przed ponad pięciu laty świat obiegła wiadomość o złożeniu szczegółowego raportu technicznego 31-kilometrowego liniowego zderzacza elektronów i pozytonów. Raport taki oznaczał, że można rozpocząć budowę ILC. Urządzenie to, dzięki swojej odmiennej od LHC architekturze, ma pracować – podobnie jak FCC – z elektronami i pozytonami i ma dostarczać bardziej szczegółowych danych niż LHC. W projekcie ILC biorą udział rządy wielu krajów, a najbardziej zainteresowana jego budową była Japonia, skłonna wyłożyć nawet 50% jego kosztów. Jednak budowa ILC dotychczas nie ruszyła. Brak kolejnych odkryć w LHC spowodował, że szanse na budowę ILC znacznie zmalały. Rząd Japonii ma 7 marca zdecydować, czy chce u siebie ILC. Inny scenariusz budowy FCC zakłada wydatkowanie 15 miliardów euro i wybudowanie w 100-kilometrowym tunelu zderzacza hadronów (kolizje proton–proton) pracującego z energią dochodzącą do 100 TeV, czyli wielokrotnie wyższą niż 16 TeV uzyskiwane w LHC. Jednak bardziej prawdopodobnym scenariuszem jest zbudowanie najpierw zderzacza elektronów i pozytonów, a pod koniec lat 50. bieżżcego wieku rozbudowanie go do zderzacza hadronów. Scenariusz taki jest bardziej prawdopodobny z tego względu, że skonstruowanie 100-teraelektronowoltowego zderzacza hadronów wymaga znacznie więcej badań. Gdybyśmy dysponowali 100-kilometrowym tunelem, to już moglibyśmy rozpocząć budowę zderzacza elektronów i pozytonów, gdyż dysponujemy odpowiednią technologią. Stworzenie magnesów dla 100-teraelektronowego zderzacza wymaga jeszcze wielu prac badawczo-rozwojowych, mówi Guidice. Trzeba w tym miejscu wspomnieć, że podobny projekt prowadzą też Chiny. Państwo Środka również chce zbudować wielki zderzacz. O ile jednak w FCC miałyby zostać wykorzystane magnesy ze stopu Nb3Tn, to Chińczycy pracują nad bardziej zaawansowanymi, ale mniej sprawdzonymi, nadprzewodnikami bazującymi na żelazie. Ich zaletą jest fakt, że mogą pracować w wyższych temperaturach. Jeśli pracowałyby przy 20 kelwinach, to można osiągnąć olbrzymie oszczędności, mówi Wang Yifang, dyrektor chińskiego Instytutu Fizyki Wysokich Energii. Także i Chińczycy uważają, że najpierw powinien powstać zderzacz elektronów i pozytonów, a następnie należy go rozbudować do zderzacza hadronów. Jako, że oba urządzenia miałyby bardzo podobne możliwości, powstaje pytanie, czy na świecie są potrzebne dwa takie same wielkie zderzacze. « powrót do artykułu