Ingen krångar med Large Hadron Collider. Det är den högsta partiklarna i dagens tid, och ingenting kan beröra dess energikapacitet eller förmåga att studera fysikens gränser. Men all ära är övergående och ingenting varar för evigt. Så småningom någonstans omkring 2035 kommer lamporna vid denna 17 mil långa (27 kilometer) maktring att slockna. Vad kommer efter det?
Tävlande grupper runt om i världen rusar för att säkra ekonomiskt stöd för att göra sina husdjurscider-idéer till nästa stora sak. En design beskrivs den 13 augusti i ett papper i förtrycktidsskriftet arXiv. Känd som Compact Linear Collider (eller CLIC, för det är söt), verkar den föreslagna massiva, subatomiska järnvägspistolen vara den främsta löparen. Vilken är Higgs-bosonens sanna natur? Vad är dess förhållande till toppkvarken? Kan vi hitta några antydningar av fysik utöver standardmodellen? CLIC kanske kan svara på dessa frågor. Det handlar bara om en partikelcollider längre än Manhattan.
Subatomic drag racing
The Large Hadron Collider (LHC) krossar ihop något tunga partiklar som kallas hadron (därav anläggningens namn). Du har ett gäng hasroner i kroppen; protoner och neutroner är de vanligaste representanterna för den mikroskopiska klanen. Vid LHC går runda och runda hasronerna i en jättecirkel tills de närmar sig ljusets hastighet och börjar krossa. Medan imponerande - LHC når energier som inte kan överensstämmas med någon annan enhet på jorden - är hela affären en smula rörig. Trots allt är hadroner konglomeratpartiklar, bara påsar med andra, tunnare, mer grundläggande saker, och när hadroner krossar, spills alla deras tarmar överallt, vilket gör analysen komplicerad.
Däremot är CLIC utformad för att vara mycket enklare, renare och mer kirurgisk. Istället för hadroner kommer CLIC att påskynda elektroner och positroner, två lätta, grundläggande partiklar. Och denna smasher kommer att påskynda partiklarna i en rak linje, mellan 11 och 50 km (11 till 50 km), beroende på den slutliga designen, helt ner i fatet.
All denna awesomeness kommer inte att ske på en gång. Den nuvarande planen är att CLIC ska komma igång med lägre kapacitet 2035, precis när LHC avvecklas. Första generationens CLIC kommer att arbeta med bara 380 gigaelektronvoltar (GeV), mindre än en trettionde av LHC: s maximala effekt. I själva verket är till och med den fulla operativa kraften hos CLIC, som för närvarande är inriktad på 3 teraelektronvoltar (TeV), mindre än en tredjedel av vad LHC kan göra nu.
Så om en avancerad, nästa generations partikelkolliderare inte kan slå vad vi kan göra idag, vad är då poängen?
Higgs jägare
CLIC: s svar är att arbeta smartare, inte hårdare. Ett av LHC: s huvudsakliga vetenskapliga mål var att hitta Higgs-bosonen, den länge eftertraktade partikeln som ger andra partiklar deras massa. Tillbaka på 1980- och 1990-talet, då LHC designades, var vi inte säkra på att Higgs till och med fanns, och vi hade ingen aning om dess massa och andra egenskaper. Så vi var tvungna att bygga ett allmänt instrument som kunde undersöka många typer av interaktioner som alla potentiellt skulle kunna avslöja en Higgs.
Och det gjorde vi. Hurra!
Men nu när vi vet att Higgs är en riktig sak kan vi ställa in våra kolliderar till en mycket smalare uppsättning interaktioner. På så sätt kommer vi att sträva efter att tillverka så många Higgs-bosoner som möjligt, samla in massor av saftiga data och lära oss mycket mer om denna mystiska, men grundläggande partikel.
Och här kommer kanske den konstigaste lite fysiksjargong du troligen kommer att stöta på den här veckan: Higgsstrahlung. Ja, du läste rätt. Det finns en process inom partikelfysik känd som bremsstrahlung, som är en unik typ av strålning som produceras av ett gäng heta partiklar som är fastade i en liten låda. I analogi, när du smälter en elektron till ett läge vid höga energier, förstör de varandra i en dusch av energi och nya partiklar, bland dem en Z boson i par med en Higgs. Därför Higgsstrahlung.
På 380 Gev kommer CLIC att vara en Higgsstrahlung fabriks extraordinär.
Bortom toppkvarken
I den nya artikeln förklarade Aleksander Filip Zarnecki, en fysiker vid Warszawa universitet i Polen och en medlem av CLIC-samarbetet, den aktuella statusen för anläggningens design, baserad på sofistikerade simuleringar av detektorerna och partikelkollisioner.
Hoppet med CLIC är att genom att helt enkelt producera så många Higgs-bosoner som möjligt i en ren, lätt att studera miljö, kan vi lära oss mer om partikeln. Finns det mer än en Higgs? Pratar de med varandra? Hur starkt interagerar Higgs med alla de andra partiklarna i Standardmodellen, den grundläggande teorin för subatomär fysik?
Samma filosofi kommer att tillämpas på toppkvarken, den minst väl förstått och sällsynta av kvarkarna. Du har förmodligen inte hört så mycket om toppkvarken eftersom det är en slags ensamhet - det var den sista kvarken som upptäcktes, och vi ser det bara sällan. Även i de inledande stadierna kommer CLIC att tillverka cirka 1 miljon toppkvarkar, vilket ger en statistisk effekt oöverträffad när man använder LHC och andra moderna kolliderare. Därifrån hoppas teamet bakom CLIC att undersöka hur den övre kvarkpartikeln förfaller, vilket händer mycket sällan. Men med en miljon av dem kanske du bara kan lära dig något.
Men det är inte allt. Visst, det är en sak att utplåna Higgs och toppkvarken, men den smarta designen av CLIC gör det möjligt att skjuta förbi gränserna för standardmodellen. Hittills har LHC torkat i sina sökningar efter nya partiklar och ny fysik. Även om det fortfarande har många år kvar att överraska oss, medan tiderna går, minskar hoppet.
Genom sin råproduktion av otaliga Higgs-bosoner och toppkvarkar kan CLIC leta efter antydningar om ny fysik. Om det finns någon exotisk partikel eller interaktion där ute, kan det subtilt påverka beteenden, sönderfallen och interaktionen mellan dessa två partiklar. CLIC kan till och med producera den partikel som är ansvarig för mörk materia, den mystiska, osynliga materien som förändrar himmelens gång. Anläggningen kan naturligtvis inte se mörk materia direkt (eftersom det är mörkt), men fysiker kan upptäcka när energi eller fart har försvunnit från kollisionshändelserna, ett säkert tecken på att något funky pågår.
Vem vet vad CLIC kan upptäcka? Men oavsett vad, måste vi gå utöver LHC om vi vill ha en anständig chans att förstå de kända partiklarna i vårt universum och avslöja några nya.
Paul M. Sutter är en astrofysiker på Ohio State University, värd av "Fråga en Spaceman" och "Space Radio, "och författare till"Din plats i universum."
