Wielki Zderzacz Hadronów Obraca się 10: Oto dlaczego jest ważniejszy niż kiedykolwiek

Dziesięć lat! Dziesięć lat od rozpoczęcia działalności Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC), jednej z najbardziej złożonych maszyn, jakie kiedykolwiek stworzono. LHC jest największym na świecie akceleratorem cząstek, zakopanym 100 metrów pod francuskim i szwajcarskim krajobrazem o obwodzie 17 mil.

10 września 2008 r. Protony, środek atomu wodoru, krążyły po akceleratorze LHC po raz pierwszy. Jednak podniecenie było krótkotrwałe, ponieważ 22 września nastąpił incydent, który uszkodził ponad 50 magnesów LHC ponad 6000 - co jest kluczowe dla utrzymania protonów przemieszczających się po ich kolistej ścieżce. Naprawy trwały ponad rok, ale w marcu 2010 r. LHC zaczął zderzać protony. LHC jest klejnotem koronnym CERN, europejskiego laboratorium fizyki cząstek, które zostało założone po II wojnie światowej jako sposób na ponowne zjednoczenie i odbudowę nauki w rozdartej wojną Europie. Teraz naukowcy z sześciu kontynentów i 100 krajów przeprowadzają tam eksperymenty.

Być może zastanawiasz się, co robi LHC i dlaczego jest to wielka sprawa. Wielkie pytania. LHC zderza ze sobą dwie wiązki protonów przy najwyższych energiach, jakie kiedykolwiek osiągnięto w laboratorium. Sześć eksperymentów zlokalizowanych wokół 17-milowego pierścienia bada wyniki tych zderzeń z masywnymi detektorami zbudowanymi w podziemnych jaskiniach. Właśnie o to chodzi, ale dlaczego? Celem jest zrozumienie natury najbardziej podstawowych elementów wszechświata i ich wzajemnego oddziaływania. Jest to podstawowa nauka w najbardziej podstawowym zakresie.

LHC nie zawiódł się.Jedno z odkryć dokonanych za pomocą LHC obejmuje długo poszukiwany bozon Higgsa, przewidziany w 1964 r. Przez naukowców pracujących nad połączeniem teorii dwóch podstawowych sił natury.

Pracuję nad jednym z sześciu eksperymentów LHC - eksperymentem zwartego solenoidu mionowego, którego celem jest odkrycie bozonu Higgsa i poszukiwanie znaków wcześniej nieznanych cząstek lub sił. Moja instytucja, Florida State University, dołączyła do współpracy Compact Muon Solenoid w 1994 roku, kiedy byłem młodym studentem w innej szkole, pracującym nad innym eksperymentem w innym laboratorium. Planowanie LHC sięga 1984 roku. LHC był trudny do zbudowania i drogi - 10 miliardów euro - i zajął 24 lata. Teraz obchodzimy 10 lat od rozpoczęcia działalności LHC.

Odkrycia z LHC

Najważniejszym odkryciem, jakie do tej pory przyniosło LHC, jest odkrycie bozonu Higgsa w dniu 4 lipca 2012 r. Ogłoszenie zostało opublikowane w CERN i urzekło światową publiczność. Moja żona i ja oglądaliśmy ją przez webcast na dużym ekranie telewizora w naszym salonie. Ponieważ ogłoszenie miało miejsce o godzinie 3 rano na Florydzie, poszliśmy na naleśniki w IHOP, aby świętować później.

Bozon Higgsa był ostatnim pozostałym fragmentem tego, co nazywamy standardowym modelem fizyki cząstek. Teoria ta obejmuje wszystkie znane cząstki podstawowe - 17 z nich - i trzy z czterech sił, z którymi oddziałują, chociaż grawitacja nie jest jeszcze uwzględniona. Model standardowy to niezwykle dobrze sprawdzona teoria. Dwóch z sześciu naukowców, którzy opracowali część standardowego modelu, który przewiduje bozon Higgsa, zdobyło Nagrodę Nobla w 2013 roku.

Często pyta się mnie, dlaczego nadal prowadzimy eksperymenty, niszcząc razem protony, jeśli już odkryliśmy bozon Higgsa? Nie zrobiliśmy tego? Cóż, wciąż jest wiele do zrozumienia. Istnieje szereg pytań, na które standardowy model nie odpowiada. Na przykład badania galaktyk i innych wielkoskalowych struktur we wszechświecie wskazują, że istnieje o wiele więcej rzeczy niż obserwujemy. Nazywamy tę ciemną materię, ponieważ nie możemy jej zobaczyć. Najpowszechniejszym wyjaśnieniem do tej pory jest to, że ciemna materia składa się z nieznanej cząstki. Fizycy mają nadzieję, że LHC może być w stanie wytworzyć tę tajemniczą cząstkę i ją zbadać. To byłoby niesamowite odkrycie.

W zeszłym tygodniu kolaboracja ATLAS i Compact Muon Solenoid ogłosiła pierwszą obserwację rozpadu bozonu Higgsa lub rozpadu na kwarki dolne. Bozon Higgsa rozpada się na wiele różnych sposobów - niektóre rzadkie, niektóre powszechne. Model standardowy przewiduje prognozy dotyczące częstości występowania każdego typu zaniku. Aby w pełni przetestować model, musimy obserwować wszystkie przewidywane rozpady. Nasza ostatnia obserwacja jest zgodna ze standardowym modelem - kolejny sukces.

Więcej pytań, więcej odpowiedzi

Istnieje wiele innych zagadek we wszechświecie i możemy wymagać nowych teorii fizyki, aby wyjaśnić takie zjawiska - takie jak asymetria materii / anty-materii, aby wyjaśnić, dlaczego wszechświat ma więcej materii niż anty-materię, lub problem hierarchii, aby zrozumieć, dlaczego grawitacja jest o wiele słabsza niż inne siły.

Ale dla mnie poszukiwanie nowych, niewyjaśnionych danych jest ważne, ponieważ za każdym razem, gdy fizycy sądzą, że wszystko nam się udało, natura dostarcza niespodzianki, która prowadzi do głębszego zrozumienia naszego świata.

LHC kontynuuje testowanie standardowego modelu fizyki cząstek elementarnych. Naukowcy kochają, gdy teoria pasuje do danych. Ale zazwyczaj uczymy się więcej, gdy tego nie robią. Oznacza to, że nie do końca rozumiemy, co się dzieje. Dla wielu z nas jest to przyszły cel LHC: odkrycie dowodów czegoś, czego nie rozumiemy. Istnieją tysiące teorii, które przewidują nową fizykę, której nie zaobserwowaliśmy. Które mają rację? Potrzebujemy odkrycia, aby dowiedzieć się, czy są poprawne.

CERN planuje kontynuować operacje LHC przez długi czas. Planujemy uaktualnienia akceleratora i detektorów, aby umożliwić jego uruchomienie do 2035 roku. Nie jest jasne, kto przejdzie najpierw na emeryturę, ani mnie, ani LHC. Dziesięć lat temu z niecierpliwością oczekiwaliśmy pierwszych wiązek protonów. Teraz jesteśmy zajęci studiowaniem bogactwa danych i mamy nadzieję na niespodziankę, która prowadzi nas nową ścieżką. Czekamy na następne 20 lat.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation przez Todda Adamsa. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.