Evropska organizacija za jedrske raziskave oziroma CERN je leta 2019 osnovala načrt za izgradnjo novega pospeševalnika delcev Future Circular Collider. Gre za naslednika Velikega hadronskega trkalnika, s katerim so leta 2012 potrdili obstoj Higgsovega bozona. Načrtovani pospeševalnik je del evropske strategije za fiziko delcev, predvideni stroški izgradnje so ocenjeni med 9 in 21 milijardami evrov. Zakaj evropske države načrtujejo investicijo v nov pospeševalnik delcev?

Svet osnovnih delcev v fiziki opisujemo s teorijo, ki ji pravimo standardni model. To preverjamo in razvijamo predvsem na podlagi eksperimentalnih meritev, ki jih izvajamo na pospeševalnikih. Gre za naprave, ki nabite delce pospešijo skoraj do svetlobne hitrosti, nato jih usmerijo v tarčo ali pa v nasproti gibajoče se delce. Poskuse s tarčo opravljajo linearni pospeševalniki, s trkalniki pa pospešujemo dva nasproti gibajoča se curka delcev. Curka prekrižamo, da pride do čelnih trkov med delci. Ko delca trčita, se zgodijo jedrske reakcije, v katerih se tvorijo novi delci, denimo bozoni.

V drugi polovici dvajsetega stoletja so se trkalniki in standardni model razvijali z roko v roki, z gradnjo vse večjih trkalnikov so dosegali višje energije, zaradi česar smo opazili nove delce in interakcije med delci. Na podlagi takšnih odkritij so torej lahko postavili teoretični model fizike delcev, ki mu pravimo standardni model. Z modelom jim je uspelo napovedati obstoj nekaterih delcev, preden so jih v trkalnikih lahko ustvarili in opazovali.

Veliki hadronski trkalnik ali LHC, največji trkalnik delcev na svetu, je bil zgrajen specifično z namenom detekcije Higgsovega bozona. To je potrdilo napoved standardnega modela. Higgsov bozon je bil še zadnji neopažen delec, ki ga je napovedovala teorija. Zakaj bi torej gradili nov pospeševalnik, če ne pričakujemo odkritja novih delcev? Ob načrtovanju LHC je CERN denimo pričakoval odkritje Higgsovega bozona, medtem ko v predlogu izgradnje FCC ni nobenih konkretnih napovedi odkrivanja novih delcev.

Načrt trkalnika FCC odraža njegovo osredotočenost na podrobno preučevanje Higgsovega bozona. Trkalnik ima načrtovan premer 100 kilometrov, kar bi omogočilo do šestkrat višje energije trkov kot v LHC-ju, deloval pa bi v dveh režimih. Sprva bi med seboj trkal elektrone in njihove antidelce, pozitrone, v tem režimu bi dosegli ogromno število trkov pri nižjih energijah. Velikost trkalnika bi omogočila trke z dovolj visoko energijo za nastanek Higgsovega bozona. To fazo zato imenujejo tudi Higgsova tovarna, saj bi omogočila izredno natančne meritve lastnosti in interakcij Higgsovega bozona, z vsaj za red velikosti višjo natančnostjo kot LHC.

V drugi fazi raziskovanja bo FCC spremenjen v trkalnik protonov oziroma hadronov, kakršen je LHC. V tem režimu delovanja bodo med seboj trkali protone, energija trkov pa bo vsaj šestkrat višja od trkov v LHC-ju. Tu CERN predstavi sekundarne raziskovalne cilje trkalnika: iskanje temne snovi, iskanje vzroka za maso nevtrinov, pojasnitev prevlade materije nad antimaterijo in preverjanje teorije supersimetrije. Ti cilji so ambiciozni, saj nimajo podpore teorije, kajti ta ne napoveduje nobenih doslej še neopaženih pojavov v energijskem območju, v katerem bo deloval FCC. Zdi se, da so sekundarni cilji zgolj slepo upanje v to, da bomo našli nove fizikalne pojave, saj standardni model ne napoveduje nobenih novih delcev, ki bi jih lahko opazili.

To, da povečamo natančnost meritve mase Higgsovega bozona za eno decimalko, je pomembno, ozirajoč se na standardni model.  Testiranje standardnega modela je tudi edini konkreten argument za gradnjo FCC-ja. Ko govorimo o testiranju, mislimo na iskanje vsakega, še tako majhnega nepojasnjenega odstopanja od teoretične napovedi, kar bi lahko pomenilo, da se v ozadju skriva še neodkrita fizika. A preden se navdušimo nad odkrivanjem nove fizike, moramo omeniti visokoenergijski slonov bozon v sobi, ceno novega pospeševalnika.

Predvideni stroški izgradnje FCC-ja so po lastni oceni CERN-a med 9 in 21 milijardami evrov, kar je približno štirikratna cena LHC-ja. Za prvo fazo, trkalnik elektronov, bo po ocenah CERN-a potrebnih 11 milijard evrov. Polovico predvidenih stroškov bi CERN kril iz lastnega proračuna, v katerega prispevajo članice in pridružene članice CERN-a. Drugo polovico pa nameravajo pridobiti z dodatnimi vložki držav članic in pridruženih članic, nevčlanjenih držav in privatnih investitorjev. Med drugimi državami se kot najverjetnejše vlagateljice omenjajo Združene države Amerike in Japonska, ki so poleg Evrope najaktivnejše na področju raziskav v fiziki delcev.

Pa vendar prvotno ocenjena vrednost projekta ne vključuje denimo stroškov obratovanja, ki so po trendih LHC-ja ocenjeni na milijardo evrov na leto. Po vsej verjetnosti lahko pričakujemo, da bo FCC, tako kot LHC, Vesoljski teleskop James Webb in kup drugih znanstvenih projektov, prekoračil začetno oceno stroškov. LHC-jeva končna cena je bila na primer dvakratnik začetne cene, pri čemer so za LHC uporabili že obstoječ tunel, za FCC pa bo potrebna tudi izgradnja tunela, kar bo verjetno pripomoglo k preseganju predvidenih stroškov. Poraja se vprašanje, ali je določanje konstant za decimalko natančneje res vredno več deset milijard evrov?

CERN javnosti predstavlja FCC kot raziskovalno središče, ki bi imelo podobno kot LHC poleg raziskovalne vrednosti tudi širšo družbeno vrednost. Po ocenah raziskovalne skupine z Univerze v Milanu, ki jo v predstavitvi novega projekta navaja tudi CERN, je LHC tekom svoje življenjske dobe povrnil 1,7 evra v neki obliki družbene koristi za vsak vložen evro. Podobno torej predvidevajo tudi za FCC. Družbena vrednost tu zajema: izobraževanje, raziskovalne objave, razvoj tehnologij, kulturno vrednost CERN-ovih razstav in njihovih obiskovalcev in navsezadnje samo znanost oziroma znanje. Razvoj tehnologije in izobraževanje imata na primer lahko močan vpliv na sorodne veje fizike, ki uporabljajo pospeševalnike v druge namene, denimo v medicinski fiziki ali kristalografíji. 

Je FCC poseben v tem, da bi predstavljal dodatno vrednost za družbo? Podoben trend namreč opazimo pri vseh večjih raziskovalnih objektih, ki so financirani z milijardami evrov in v katerih sodeluje več tisoč ljudi, denimo pri LHC, kjer je bilo po CERN-ovi statistiki leta 2019 zaposlenih preko 17 tisoč ljudi. Družbena vrednost FCC je torej kot argument za masivno investicijo šibek, saj lahko trdimo, da bi investicija v velik raziskovalni projekt prispevala dodatno vrednost za družbo, ne glede na področje znanosti.

Namen projekta FCC je doseči izredno visoke energije trkov, kar bi potencialno dovoljevalo tvorbo novih, še neznanih delcev. Ker je energija, s katero lahko pospešimo delce, odvisna od velikosti pospeševalnika, lahko v večjih pospeševalnikih ustvarimo masivnejše delce. Z novim pospeševalnikom FCC, ki bo do sedaj največji, bi lahko dosegli krepko višje energije kot s katerimkoli dosedanjim pospeševalnikom. To bi nam morda omogočilo detekcijo novih, še nepoznanih delcev. Toda standardni model ne napoveduje novih razburljivih odkritij. Zato upanja raziskovalnih skupin, da bodo z novimi trkalniki opazile nove, nepričakovane fizikalne pojave in s tem odkrile novo fiziko, ostaja zgolj to – golo upanje, brez teoretične podlage. 

Komentiral je Oskar.

naslovna slika: SimonWaldherr, CC BY-SA 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0, via Wikimedia Commons