Електронно-іонний колайдер: Новий прискорювач може розкрити таємницю того, як матерія тримається разом

Авторка: Дарія Сохан, професорка фізики Університету Глазго.

1956 року, коли американський фізик, лауреат Нобелівської премії, Роберт Гофстедтер і його команда направили високоенергетичні електрони на невеликий флакон водню в Стенфордському центрі лінійного прискорювача, вони розпочали нову еру у фізиці. До того часу існувала думка, що протони і нейтрони, які складають ядро атома, це найфундаментальніші частинки в природі. Вони вважалися «точками» в просторі, що не мали фізичних розмірів. Тепер раптом стало зрозуміло, що ці частинки взагалі не фундаментальні та мають свій розмір і складну внутрішню структуру.

Гофстедтер і його команда побачили невелике відхилення у тому, як електрони «розсіювалися», або відбивалися, при зіткненні з воднем. Це дозволило їм припустити, що ядро складається не лише з точкових протонів і нейтронів, як вони думали. Невдовзі експерименти, які проводилися у всьому світі на прискорювачах (пристроях, які розганяють частинки до дуже високих енергій), ознаменували зміну парадигми в нашому розумінні матерії.

Але ми ще багато чого не знаємо про ядро атома – як і про сильну взаємодію, одну з чотирьох фундаментальних сил природи, яка утримує його разом. Тепер абсолютно новий прискорювач, електронно-іонний колайдер, буде побудовано протягом десятиліття в Брукхейвенській національній лабораторії в Лонг-Айленді, США. Цей пристрій та 1300 вчених з усього світу матимуть всі можливості для того, щоб піднести наші знання про ядра на новий рівень.

Сильна, але дивна взаємодія

Після відкриття 1950-х років стало зрозумілим, що частинки, які називаються кварками і глюонами, є фундаментальними будівельними блоками матерії. Вони є складовими адронів, які є збірною назвою протонів та інших частинок. Іноді люди уявляють, що ці типи частинок об’єднуються, як Лего, з кварками в певній конфігурації, що складають протони, а потім протони і нейтрони з’єднуються, щоб створити ядро, і ядро залучає електрони для побудови атома. Але кварки і глюони – не просто статичні будівельні блоки.

Теорія, що називається квантовою хромодинамікою, описує, як сильна взаємодія діє між кварками, опосередкованими глюонами, які є носіями сили. Але це не допоможе нам аналітично обчислити властивості протона. Це не вина наших теоретиків чи комп’ютерів – самі рівняння не можна розв’язати.

Саме тому експериментальне вивчення протона та інших адронів має вирішальне значення: щоб зрозуміти протон та силу, яка його зв’язує, потрібно вивчити його з усіх боків. Для цього прискорювач є нашим найпотужнішим інструментом.

Та все ж коли поглянути на протон за допомогою колайдера (тип прискорювача, який використовує два пучки), те, що ми побачимо, залежить від того, наскільки глибоко – і з використанням яких технологій – ми дивимося: Іноді він виглядає як три складові кварки, в інший час як океан глюонів, або бурхливе море пар кварків та їх античастинок (античастинки близькі до частинок, але мають протилежний заряд або інші квантові властивості).

Як електрон, зіткнувшись із зарядженим атомом, може виявити його ядерну структуру. Джерело: Брукхейвенська національна лабораторія/Flickr, CC BY-NC

Тому, хоча наше розуміння матерії в найменшому масштабі зробило великий прогрес за останні 60 років, проте залишаються багато таємниць, які сучасні інструменти не можуть повністю розкрити. Яка сила утримує кварки в адроні? Як з майже безмасових кварків, які в 1000 разів легші, виникає маса протона?

Для відповіді на такі питання потрібен мікроскоп, який може зобразити структуру протона та ядра у найширшому діапазоні збільшення у найдрібніших деталях, а також створювати 3D-зображення їх структури та динаміки. Саме це і зробить новий колайдер.

Експериментальне налаштування

Електронно-іонний колайдер (ЕІК) буде використовувати дуже інтенсивний пучок електронів як зонд, за допомогою якого можна буде розрізати протон або ядро і подивитися на структуру всередині. Він зробить це, зіткнувши пучок електронів з пучком протонів або іонів (заряджених атомів), що дозволить побачити, як електрони розсіюються. Цей пучок іонів – перший у своєму роді.

Такі ледь помітні ефекти, як процеси розсіювання, які настільки рідкісні, що їх можна спостерігати лише раз на мільярд зіткнень, стануть видимими. Вивчаючи ці процеси, я та інші вчені зможемо розкрити структуру протонів та нейтронів, як вона змінюється, коли вони пов’язані сильною взаємодією, та як створюються нові адрони. Ми також зможемо з’ясувати, яка матерія складається із чистих глюонів – те, що ще ніколи не спостерігалося.

Колайдер налаштовуватиметься на широкий діапазон енергій: це як регулювати збільшення на мікроскопі: чим вища енергія, тим глибше всередину протона або ядра можна заглянути і тим тонші характеристики можна розглянути.

Новостворені групи вчених з усього світу, які є частиною команди ЕІК, також розробляють детектори, які будуть розміщені у двох різних точках зіткнення в колайдері. Певні аспекти цього процесу очолюють команди Великої Британії, які щойно отримали грант, щоб розробити три ключові компоненти детекторів і створити необхідні для цього технології: датчики для точного відстеження заряджених частинок, датчики для виявлення електронів, розсіяних надзвичайно близько до лінії пучка, і детектори для вимірювання поляризації (напрямку спіну) частинок, розсіяних в зіткненнях.

Хоча, можливо, знадобиться ще десять років, перш ніж колайдер буде повністю спроектований і побудований, ймовірно, він буде вартий зусиль. Розуміння структури протона і, через нього, фундаментальної сили, яка породжує понад 99% видимої маси у Всесвіті, є одним з найбільших викликів сучасної фізики.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «The Electron-Ion Collider: new accelerator could solve the mystery of how matter holds together» вжурналі «The Conversation» 11 жовтня 2021 р.

Переклала Анна Балагурак.