การอัปเกรดอะไรที่ทำให้ CERN

หกปีหลังจากการค้นพบ ฮิกส์ โบซอนตรวจสอบคำทำนาย ในไม่ช้า การอัพเกรดเป็น Large Hadron Collider จะช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ของ CERN ผลิตอนุภาคเหล่านี้ได้มากขึ้นสำหรับการทดสอบ Standard Model ของฟิสิกส์

เหตุการณ์ที่เป็นตัวเลือกของ ATLAS สำหรับ Higgs boson (H) ที่สลายไปเป็น bottom quarks 2 ตัว (b) ร่วมกับ W boson ที่สลายตัวเป็น muon (μ) และ neutrino (ν) (ภาพ: ATLAS/CERN)

เขียนโดย Rashmi Raniwala & Sudhir Raniwala

หกปีหลังจากการค้นพบโบซอนฮิกส์ที่ CERN Large Hadron Collider (LHC) นักฟิสิกส์อนุภาคประกาศเมื่อสัปดาห์ที่แล้วว่าพวกเขาได้สังเกตว่าอนุภาคที่เข้าใจยากสลายตัวอย่างไร การค้นพบนี้นำเสนอโดยความร่วมมือของ ATLAS และ CMS สังเกตว่าฮิกส์โบซอนสลายตัวเป็นอนุภาคพื้นฐานที่เรียกว่าควาร์กด้านล่าง

ในปี 2012 การค้นพบโบซอนฮิกส์ที่ได้รับรางวัลโนเบลได้ตรวจสอบแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ ซึ่งคาดการณ์ด้วยว่าประมาณ 60% ของเวลาที่ฮิกส์โบซอนจะสลายไปเป็นควาร์กก้นคู่หนึ่ง จากข้อมูลของ CERN การทดสอบการคาดการณ์นี้มีความสำคัญเนื่องจากผลลัพธ์ที่ได้จะสนับสนุน Standard Model ซึ่งสร้างขึ้นจากแนวคิดที่ว่าสนาม Higgs ให้ควาร์กและอนุภาคพื้นฐานอื่นๆ ที่มีมวล หรือเขย่ารากฐานและชี้ไปที่ฟิสิกส์ใหม่

ฮิกส์โบซอนถูกตรวจพบโดยการศึกษาการชนกันของอนุภาคด้วยพลังงานที่แตกต่างกัน 0.000000000000000000001 วินาที ดังนั้นการตรวจจับและศึกษาคุณสมบัติของพวกมันจึงต้องใช้พลังงานจำนวนมหาศาลและเครื่องตรวจจับขั้นสูง CERN ประกาศเมื่อต้นปีนี้ว่าจะได้รับการอัพเกรดครั้งใหญ่ ซึ่งจะแล้วเสร็จภายในปี 2026

ทำไมต้องศึกษาอนุภาค?

ฟิสิกส์ของอนุภาคสำรวจธรรมชาติในระดับสูงสุด เพื่อทำความเข้าใจองค์ประกอบพื้นฐานของสสาร เช่นเดียวกับคู่มือไวยากรณ์และคำศัพท์ (และจำกัด) การสื่อสารของเรา อนุภาคจะสื่อสารระหว่างกันตามกฎบางอย่างซึ่งฝังอยู่ในสิ่งที่เรียกว่า 'ปฏิสัมพันธ์พื้นฐานสี่ประการ' อนุภาคและการโต้ตอบทั้งสามนี้อธิบายได้สำเร็จด้วยวิธีการแบบรวมศูนย์ที่เรียกว่าแบบจำลองมาตรฐาน SM เป็นเฟรมเวิร์กที่ต้องการให้มีอนุภาคที่เรียกว่า Higgs boson และหนึ่งในเป้าหมายหลักของ LHC คือการค้นหา Higgs boson

มีการศึกษาอนุภาคขนาดเล็กดังกล่าวอย่างไร?

โปรตอนถูกรวบรวมเป็นกระจุก เร่งความเร็วจนเกือบเท่าแสงและชนกัน อนุภาคจำนวนมากเกิดจากการชนกันซึ่งเรียกว่าเหตุการณ์ อนุภาคที่โผล่ออกมาแสดงรูปแบบสุ่มที่เห็นได้ชัด แต่ปฏิบัติตามกฎหมายพื้นฐานที่ควบคุมพฤติกรรมบางส่วน การศึกษารูปแบบการปล่อยอนุภาคเหล่านี้ช่วยให้เราเข้าใจคุณสมบัติและโครงสร้างของอนุภาค

ในขั้นต้น LHC ทำให้เกิดการชนกันด้วยพลังงานที่ไม่เคยมีมาก่อน ทำให้เรามุ่งความสนใจไปที่การศึกษาพื้นที่ใหม่ๆ แต่ตอนนี้ ถึงเวลาแล้วที่จะเพิ่มศักยภาพในการค้นพบ LHC ด้วยการบันทึกเหตุการณ์จำนวนมากขึ้น

(ที่มา: เซิร์น)

ดังนั้นการอัพเกรดจะหมายถึงอะไร?

หลังจากค้นพบฮิกส์โบซอนแล้ว จำเป็นต้องศึกษาคุณสมบัติของอนุภาคที่เพิ่งค้นพบใหม่และผลกระทบที่มีต่ออนุภาคอื่นๆ ทั้งหมด ต้องใช้ Higgs bosons จำนวนมาก SM มีข้อบกพร่อง และมีโมเดลทางเลือกที่ช่วยเติมเต็มช่องว่างเหล่านี้ ความถูกต้องของโมเดลเหล่านี้และโมเดลอื่นๆ ที่เป็นทางเลือกให้กับ SM สามารถทดสอบได้โดยการทดสอบเพื่อตรวจสอบการคาดการณ์ การคาดคะเนเหล่านี้บางส่วน รวมทั้งสัญญาณของสสารมืด อนุภาคสมมาตรยิ่งยวด และความลึกลับลึกอื่นๆ ของธรรมชาตินั้นหายากมาก และด้วยเหตุนี้จึงสังเกตได้ยาก จึงจำเป็นต้องใช้ LHC ความสว่างสูง (HL-LHC) เพิ่มเติม

ลองนึกภาพการพยายามค้นหาเพชรที่หายากหลากหลายชิ้นจากชิ้นส่วนที่ดูคล้ายคลึงกันจำนวนมาก เวลาที่ใช้ในการค้นหาเพชรที่โลภจะขึ้นอยู่กับจำนวนชิ้นที่ให้ไว้ต่อหน่วยเวลาสำหรับการตรวจสอบ และเวลาที่ใช้ในการตรวจสอบ เพื่อให้งานนี้เสร็จเร็วขึ้น เราต้องเพิ่มจำนวนชิ้นส่วนที่ให้มาและตรวจสอบให้เร็วขึ้น ในกระบวนการนี้ อาจมีการค้นพบเพชรชิ้นใหม่บางชิ้นที่ยังไม่เคยพบเห็นและไม่รู้จักมาก่อน ซึ่งเปลี่ยนมุมมองของเราเกี่ยวกับเพชรหายากหลากหลายประเภท

เมื่ออัปเกรดแล้ว อัตราการชนจะเพิ่มขึ้น และความน่าจะเป็นของเหตุการณ์หายากที่สุดก็เช่นกัน นอกจากนี้ การแยกแยะคุณสมบัติของโบซอนฮิกส์จะต้องจัดหาจำนวนมาก หลังการอัพเกรด จำนวนรวมของ Higgs bosons ที่ผลิตในหนึ่งปีอาจมากกว่า 5 เท่าของจำนวนที่ผลิตในปัจจุบัน และในช่วงเวลาเดียวกัน ข้อมูลทั้งหมดที่บันทึกไว้อาจมากกว่า 20 ครั้ง

ด้วยความส่องสว่างที่เสนอ (การวัดจำนวนโปรตอนข้ามต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยเวลา) ของ HL-LHC การทดลองจะสามารถบันทึกข้อมูลได้มากขึ้นประมาณ 25 เท่าในช่วงเวลาเดียวกับการรัน LHC ลำแสงใน LHC มีประมาณ 2,800 กระจุก โดยแต่ละลำมีโปรตอนประมาณ 115 พันล้านตัว HL-LHC จะมีโปรตอนประมาณ 170 พันล้านตัวในแต่ละพวง ซึ่งส่งผลให้ความส่องสว่างเพิ่มขึ้น 1.5 เท่า

จะปรับปรุงได้อย่างไร?

โปรตอนจะถูกรวมเข้าด้วยกันเป็นมัดโดยใช้สนามแม่เหล็กแรงสูงชนิดพิเศษ ซึ่งก่อตัวขึ้นโดยใช้แม่เหล็กสี่ขั้ว การโฟกัสพวงให้มีขนาดเล็กลงต้องใช้สนามที่แข็งแรงกว่า ดังนั้นกระแสน้ำที่มากขึ้นจึงจำเป็นต้องใช้สายเคเบิลตัวนำยิ่งยวด เทคโนโลยีที่ใหม่และวัสดุใหม่ (Niobium-tin) จะถูกใช้เพื่อสร้างสนามแม่เหล็กแรงสูงที่ต้องการซึ่งมีค่า 1.5 เท่าของสนามแม่เหล็กในปัจจุบัน (8-12 เทสลา)

กำลังทดสอบการสร้างขดลวดยาวสำหรับฟิลด์ดังกล่าว อุปกรณ์ใหม่จะถูกติดตั้งในระยะทาง 1.2 กม. ของวงแหวน LHC 27 กม. ใกล้กับการทดลองหลักสองครั้ง (ATLAS และ CMS) สำหรับการโฟกัสและบีบพวงก่อนที่จะข้าม

สายไฟยาวหลายร้อยเมตรของวัสดุตัวนำยิ่งยวด (ตัวเชื่อมตัวนำยิ่งยวด) ที่มีความจุสูงถึง 100,000 แอมแปร์ จะถูกใช้เพื่อเชื่อมต่อเครื่องแปลงกำลังไฟฟ้ากับคันเร่ง LHC รับโปรตอนจากสายคันเร่ง ซึ่งจะต้องได้รับการอัพเกรดด้วยเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของความส่องสว่างสูง

เนื่องจากความยาวของพวงแต่ละพวงนั้นไม่กี่ซม. เพื่อเพิ่มจำนวนการชน จึงเกิดความเอียงเล็กน้อยในพวงก่อนที่จะชนกัน เพื่อเพิ่มพื้นที่ที่มีประสิทธิภาพของการทับซ้อนกัน กำลังดำเนินการโดยใช้ 'โพรงปู'

ชุมชนฟิสิกส์ของอนุภาคทดลองในอินเดียได้เข้าร่วมการทดลอง ALICE และ CMS อย่างแข็งขัน HL-LHC จะต้องอัปเกรดสิ่งเหล่านี้ด้วย ทั้งการออกแบบและการผลิตเครื่องตรวจจับใหม่ และการวิเคราะห์ข้อมูลที่ตามมาจะมีส่วนร่วมอย่างมากจากนักวิทยาศาสตร์ชาวอินเดีย

แบ่งปันกับเพื่อนของคุณ: