מאיץ ההדרונים הגדול מקבל את השדרוג הגדול ביותר שלו עד כה. מה שיבוא אחר כך יכול לשנות את הפיזיקה
עמוק מתחת לגבול צרפת-שוויץ השתתק המכשיר המדעי הגדול בעולם. לאחר שנים של ריסוק חלקיקי פרוטונים כמעט במהירות האור, מאיץ ההדרונים הגדול (LHC) של Cern הפסיק את פעילותו ונכנס להשבתה ארוכה.
בעוד שלא מתרחשות התנגשויות חלקיקים ב ה-LHCאלפי מדענים, מהנדסים וטכנאים מפרקים חלקים מהמכונה, מתקינים טכנולוגיות חדשות ומכינים את אחד השדרוגים השאפתניים ביותר שנוסו אי פעם בפיזיקה ניסויית.
כאשר הוא נדלק שוב, בסביבות 2030, הוא יהפוך ל- מאיץ האדרון גדול בהירות גבוהה (HL-LHC)מסוגל לספק בערך פי שבעה יותר נתונים מאשר המתנגש שגילה את בוזון היגס.
עבורי, ההשבתה הזו מסמנת אבן דרך נוספת בפרויקט שעיצב חלק גדול מחיי המדעיים. התערבתי לראשונה ב-High Luminosity Collider הרבה לפני חלקיק בוזון היגס היה התגלה בשנת 2012. במשך כמעט שני עשורים הייתה לי הזכות לתרום לתוכנית משני צדי האוקיינוס האטלנטי.
בארצות הברית, שימשתי כרכז שדרוג עבור סולנואיד Muon קומפקטי (CMS)ניסוי מפתח ב-LHC. ה-CMS נבנה באחת הנקודות בתוך מאיץ ההדרון הגדול שבהן מתנגשות אלומות נפרדות של חלקיקי פרוטונים. לאחר מכן, CMS לוכדת נתונים מהתנגשויות אלה, כך שניתן יהיה לנתח אותם על ידי פיזיקאים של CERN. עזרתי להוביל את המאמץ הבינלאומי בהכנת CMS לעידן HL-colider.
היום, באוקספורד, אני עובד על ניסוי LHC נוסף שנקרא אַטְלָס. אטלס ו-CMS פועלים בדרכים דומות באופן כללי, אבל קיימות של שתי מכונות כאלה עוזרות להבטיח שתגליות משמעותיות על ידי ניסוי אחד יוצלבו על ידי מקביל עם צוות נפרד של מדענים. כאן, עמיתיי ואני בונים מודולים של גלאי פיקסלים מסיליקון עבור הגשש הפנימי המשודרג שלו. זה יהווה חלק חיוני בשדרוג HL-LHC.
לפני כמה חודשים צפיתי בטבעת הפיקסלים השלמה הראשונה שהורכבה באוקספורד. זה היה יפה להפליא: סידור עדין של חיישני סיליקון, אלקטרוניקה ומבני תמיכה שהאלגנטיות שלהם שיקפה שנים של הנדסה קפדנית.
בפעם הראשונה, הגלאי שדמיינו דרך אינספור ביקורות עיצוב, אבות טיפוס ופגישות ייצור הפך לאמיתי.
התרומה שלנו היא רק חלק אחד מגלאי שנבנה על ידי צוותים ברחבי העולם. אלפי רכיבים חייבים להתאחד לפני שמתנגש High Luminosity יהיה מוכן לחקור גבול חדש בפיזיקה של חלקיקים.
ה-LHC כבר שינה את הבנתנו את הטבע. גילויו של בוזון היגס אישרה את המנגנון שנותן לחלקיקים היסודיים את המסה שלהם. ההיגס היה החלק החסר האחרון בעולם מודל סטנדרטי של פיזיקת חלקיקים. זוהי התיאוריה הטובה ביותר להסביר חלקיקים יסודיים ואת שלושת הכוחות הבסיסיים השולטים באינטראקציות ביניהם. אבל, כפי שקורה לעתים קרובות במדע, מענה על שאלה אחת פתחה הרבה אחרות.
חוקרת את היגס
רבות מהשאלות החשובות ביותר כעת אינן קשורות עוד לשאלה האם ההיגס קיים אלא האם הוא מתנהג בדיוק כפי שחזוי. סטיות זעירות מהמודל הסטנדרטי עשויות להצביע על חלקיקים או כוחות חדשים לגמרי. תגליות כאלה יעזרו לנו להבין תעלומות כמו חומר אפל או מדוע היקום מכיל הרבה יותר חומר מאנטי-חומר.
האתגר הוא שהרמזים האלה עדינים להפליא. במקום לדרוש אנרגיות התנגשות גבוהות בהרבה, הם דורשים הרבה יותר התנגשויות. ה-HL-LHC יגביר את עוצמת הבהירות של המתנגש – מספר התנגשויות הפרוטונים שהוא מייצר – בכגורם של שבעה לאורך חייו.
דמיינו לעצמכם החלפת מצלמה שמצלמת תמונה אחת בכל שנייה במצלמה שמצלמת שבעה. כל תמונה נראית אותו הדבר, אבל יחד הן חושפות פרטים שאחרת היו נשארים בלתי נראים.
עבור הפיזיקה של היגס, הנתונים הנוספים האלה יהיו טרנספורמטיביים. בוזון היגס הוא חמקמק להפליא. כמה מהדעיכה המעניינת ביותר שלו – היכן שהוא הופך לחלקיקים אחרים – הם כל כך נדירים שהם נשארו ממש מעבר להישג ידו של ה-LHC של היום. אחרים הופיעו רק לאחרונה כרמזים מגרים.
דוגמה אחת היא ריקבון בוזון היגס לשני מיואונים (מיואון הוא חלקיק תת-אטומי לא יציב). ריקבון זה הוא א תהליך נדיר שבודק אם ההיגס מצמדים לחלקיקי הלפטון מהדור השני. אחר הוא הריקבון של ההיגס לתוך חלקיקי קווארק קסם. זוהי אחת המדידות הקשות ביותר של היגס כי יש לחלץ אותה מרקע מכריע של התנגשויות חלקיקים רגילים.
תהליכים אלה בודקים את אחת התכונות הבסיסיות ביותר של בוזון היגס: האם הוא מקיים אינטראקציה עם חלקיקים קלים יותר בדיוק כפי שחזה המודל הסטנדרטי. כל סטייה מהתחזיות הללו, אפילו קטנה, יכולה להיות עדות לכך שחלקיקים או כוחות חדשים משפיעים על ההיגס מאחורי הקלעים.
ואולי המטרה השאפתנית מכולן היא התבוננות בצמדי בוזונים של היגס, שיאפשרו לנו למדוד, בפעם הראשונה, את צימוד עצמי של היגס– העוצמה שבה שדה היגס מקיים אינטראקציה עם עצמו. האינטראקציה הזו קובעת את צורתו של שדה היגס שממלא את כל החלל ונחשב שמילא תפקיד מפתח בהתפתחות היקום רגעים לאחר המפץ הגדול.
אלו בדיוק סוגי המדידות שהניעו את העיצוב של ה-LHC המשודרג. השגתם דורשת מהפכה לא רק במאיץ עצמו אלא גם בגלאים שמתעדים את ההתנגשויות.
רשת חלקיקים
ב-High Luminosity LHC, כל חצייה של קרני הפרוטון תייצר עד 200 אינטראקציות פרוטון-פרוטון בו זמנית, פי כמה מאשר היום. הפרת רשת החלקיקים הצפופה הזו דורשת גלאים מהירים יותר, מדויקים יותר ועמידים הרבה יותר בפני קרינה מכל דבר שנבנה קודם לכן.
בלב הניסויים של Atlas ו-CMS, גלאי מעקב סיליקון חדשים לגמרי מחליפים את הקיימים. הם חייבים לשרוד רמות קרינה שהרסו במהירות דורות קודמים של חיישנים תוך מדידת מסלולי חלקיקים בדיוק יוצא דופן. כדי להשיג זאת נדרשה שנים של התקדמות בטכנולוגיית חיישני סיליקון, אלקטרוניקה מהירה במיוחד, מערכות קירור ומבנים מכאניים קלים.
אחת התכונות החדשניות ביותר של הגלאים המשודרגים היא הוספת תזמון מדויק. גלאי תזמון חדשים – High Granularity Timing Detector ב-Atlas ומערכת דומה ב-CMS – ימדוד את זמן ההגעה של חלקיקים בדיוק של כמה עשרות טריליוניות השנייה בלבד. למרות שמאות התנגשויות מתרחשות כמעט בו זמנית, הן לא מתרחשות בדיוק באותו רגע.
על ידי הוספת זמן כממד רביעי למעקב אחר חלקיקים, גלאים אלה יאפשרו לפיסיקאים לשייך כל חלקיק להתנגשות הנכונה, מה שיאפשר לשחזר אירועי היגס נדירים החבויים ברקע עצום של אינטראקציות חופפות.
אחד התגמולים הגדולים ביותר בעבודה על הגלאים הללו הוא לראות את הדור הבא של פיזיקאים מתכוננים להשתמש בהם. הסטודנטים שעוזרים להרכיב את הגלאים של היום יעבירו חלק ניכר מהקריירה שלהם בניתוח הנתונים שהם בסופו של דבר אוספים.
כאשר ה-HL–LHC יתחיל לפעול, הוא לא פשוט ירחיב את התוכנית המדעית של מאיץ ההדרונים הגדול. זה יפתח עידן חדש של פיזיקת היגס מדויקת. בין אם הוא חושף סדקים עדינים במודל הסטנדרטי או מאשר את ההבנה הנוכחית שלנו בדיוק חסר תקדים, הוא יעצב את פיזיקת החלקיקים בעשרות השנים הבאות.
דניאלה בורטולטו הוא פרופסור וראש לפיזיקת חלקיקים ב- אוניברסיטת אוקספורד. מאמר זה פורסם מחדש מ השיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את מְקוֹרִי סָעִיף.