5 Ontdekkingen Gemaakt Door De Large Hadron Collider (So Far)

{h1}

De large hadron collider heeft veel meer ontdekt dan alleen het higgs-deeltje. Lees over vijf van de grootste ontdekkingen van de lhc op WordsSideKick.com.

Soms zijn het de kleine dingen die je gek maken. Aan het begin van de 20e eeuw leken natuurkundigen het universum behoorlijk goed te hebben genaaid, tussen Newtoniaanse zwaartekracht en de elektromagnetische vergelijkingen van Maxwell. Er was slechts een zeurderig probleem: hoe radioactiviteit verklaren. De aanpak ervan leidde tot een wetenschappelijke revolutie die de verbazingwekkende waarheid over kleine dingen onthulde: soms bevatten ze universums.

Deeltjesfysica en kwantummechanica, de wetenschappen van de werkelijk kleine, bracht de fysica twee meer fundamentele krachten en een menagerie van vreemde elementaire deeltjes, maar na de jaren 1970 bleef er maar weinig over om de dominante theorie te testen en te verfijnen. standaard model. Nog eens 30 jaar aan subatomaire spatten die werden versneld door versnellers en botsers vulden de belangrijkste spaties, maar er bleven nog veel vragen over: waarom hadden sommige deeltjes massa terwijl anderen dat niet deden? Kunnen we de vier fundamentele krachten verenigen of de algemene relativiteit en kwantummechanica met elkaar laten opschieten?

Zou een van deze bungelende draden een nieuwe revolutie ontketenen? Uitzoeken zou groter, krachtiger worden deeltjesversneller dan ooit tevoren, een 27 kilometer lange ring van supergeleidende magneten kouder dan de ruimte, in staat om deeltjes dicht bij elkaar te smelten in een ultrahoog vacuüm. Op 10 september 2008 sloot deze 10 miljard dollar Large Hadron Collider (LHC), de gezamenlijke inspanning van honderden wetenschappers en ingenieurs wereldwijd, zich aan bij de Europese organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) campus van versnellers en brak al snel deeltjesbotsingen.

Laten we terugkijken naar wat we tot nu toe hebben geleerd, te beginnen met de meest bekende ontdekking van allemaal.

5. De Higgs Boson

5 Ontdekkingen gemaakt door de Large Hadron Collider (So Far): gemaakt

Professor Peter Higgs bezoekt de tentoonstelling 'Collider' in het Londense wetenschapsmuseum op 12 november 2013. Denk dat het veilig is om te zeggen dat Higgs en zijn collega's de Higgs-boson-hoopla niet helemaal voorzagen. Peter Macdiarmid / Getty Images

In onze macrowereld nemen we aan dat alle deeltjes massa hebben, hoe klein ook. Maar in de microwereld, elektrozwakte theorie, dat de elektromagnetische en zwakke krachten in één onderliggende kracht bindt, voorspelt dat speciale deeltjes worden genoemd mediators zou helemaal geen massa moeten hebben; wat een probleem is, omdat sommigen van hen dat wel doen.

Bemiddelaars zijn vervoerders: fotonen zend elektromagnetisme uit, terwijl W en Z bosonen draag zwakke kracht. Maar hoewel fotonen massaal zijn, pakken W- en Z-bosonen een substantieel gewicht in, in de orde van 100 protonen per stuk [bron: CERN].

In 1964 stelden natuurkundige Peter Higgs van de Universiteit van Edinburgh en het team van François Englert en Robert Brout van de Vrije Universiteit van Brussel onafhankelijk een oplossing voor: een ongewoon veld dat massa overbracht op basis van hoe sterk de deeltjes ermee interageerden. Als dit Higgs-veld bestond, dan zou het een bemiddelaardeeltje moeten hebben, a Higgs-boson. Maar het zou een faciliteit zoals de LHC nodig hebben om het te detecteren.

In 2013 bevestigden natuurkundigen dat ze een Higgs-boson hadden gevonden met een massa van ruwweg 126 giga-elektronenvolt (GeV) - de totale massa van ongeveer 126 protonen (massale energie-equivalentie laat fysici elektronvolt gebruiken als eenheid van massa ) [bronnen: Das]. Verre van het sluiten van de boeken, opende dit geheel nieuwe gebieden van onderzoek naar de stabiliteit van het universum, waarom het zoveel meer materie lijkt te bevatten dan antimaterie en de samenstelling en overvloed van donkere materie [bronnen: Siegfried].

4. Tetraquarks

5 Ontdekkingen gemaakt door de Large Hadron Collider (So Far): large

Het detecteert quarks! De overleden theoretisch natuurkundige Nathan Isgur toont een model van een deel van een machine voor het observeren van het gedrag van quarks. Het prijskaartje (in 1981) was $ 83 miljoen. Ron Bull / Toronto Star via Getty Images

In 1964 worstelden twee onderzoekers om te begrijpen hadrons - subatomaire deeltjes beïnvloed door de sterke kracht - kwam individueel op het idee dat ze waren samengesteld uit een samenstellend deeltje met drie soorten. George Zweig noemde ze azen; Murray Gell-Mann noemde ze quarks en bestempelden hun drie typen, of smaken, als "omhoog", "omlaag" en "vreemd". Natuurkundigen identificeerden later drie andere quark-smaken: 'charm', 'top' en 'bottom'.

Gedurende vele jaren verdeelden natuurkundigen hadronen in twee categorieën op basis van de twee manieren waarop quarks ze maakten: baryons (inclusief protonen en neutronen) waren samengesteld uit drie quarks, terwijl mesonen (zoals pionen en kaonen) werden gevormd door quark-antiquark-paren [bronnen: CERN; ODS]. Maar waren dit de enige mogelijke combinaties?

In 2003 vonden onderzoekers in Japan een vreemd deeltje, X (3872), dat bleek te zijn gemaakt van een charm-quark, een anticharm en op zijn minst twee andere quarks. Tijdens het verkennen van het mogelijke bestaan ​​van het deeltje, vonden onderzoekers Z (4430), een schijnbaar vier-quark deeltje. De LHC heeft sindsdien bewijs gevonden voor verschillende van dergelijke deeltjes, die het gevestigde model voor quarkarrangementen doorbreken of althans aanzienlijk buigen. Dergelijke Z-deeltjes zijn vluchtig, maar kunnen na een microseconjunctuur na de oerknal gedijen [bronnen: O'Luanaigh; Diep; Verlenen].

3. Ontbrekende supersymmetrie

5 Ontdekkingen gemaakt door de Large Hadron Collider (So Far): door

Een werknemer staat onder de Compact Muon Solenoid (CMS), een universele detector in de LHC. Sommige natuurkundigen hadden hoge verwachtingen dat de detector bewijsmateriaal zou vinden om SUSY te ondersteunen. Fabrice Coffrini / AFP / Getty Images

Theoretici zijn vooruitgegaan supersymmetrie, bijgenaamd SUSY, om te gaan met verschillende zeurende problemen bleef het standaardmodel onbeantwoord, zoals waarom sommige elementaire deeltjes massa hebben, hoe elektromagnetisme en de sterke en zwakke nucleaire krachten ooit samen kunnen zijn gebonden en, mogelijk, van welke donkere materie is gemaakt. Het vestigde ook een verleidelijke relatie tussen de quarks en leptonen die make-up zijn en de bosonen die hun interacties bemiddelen. Net als de eerder genoemde baryons behoren leptonen (zoals elektronen) tot een groep subatomaire deeltjes die wordt genoemd fermionen die tegengestelde kwantumeigenschappen hebben voor bosonen. Toch, volgens SUSY, heeft elke fermion een corresponderend boson, en omgekeerd, en elk deeltje kan transformeren in zijn tegenpool [bronnen: CERN; Siegried].

Als dat waar is, zou SUSY betekenen dat de twee elementaire deeltjestypes (fermionen en bosonen) slechts twee zijden van dezelfde medaille zijn; het zou bepaalde wegloperige oneindige hoeveelheden verwijderen die in de wiskunde opduiken door overeenkomstige deeltjes te laten verdwijnen; en het zou ruimte maken voor zwaartekracht - een flagrante omissie in het standaardmodel - omdat fermion-boson en boson-fermion conversies kunnen inhouden gravitonen, de lang getheoretiseerde zwaartekrachtkrachtdragers.

Natuurkundigen hoopten dat de LHC ofwel bewijs zou vinden om SUSY te ondersteunen, of diepere problemen zou onthullen die zouden wijzen op nieuw theoretisch en experimenteel gebied. Tot nu toe lijkt geen van beide te zijn gebeurd, maar meet supersymmetrie nog niet. SUSY bestaat in vele versies, elk gekoppeld aan bepaalde aannames; de LHC heeft slechts enkele van de meest elegante en waarschijnlijke variëteiten uitgezocht.

2. Gecoördineerde beweging

5 Ontdekkingen gemaakt door de Large Hadron Collider (So Far): ontdekkingen

De soep du jour op CERN is een stevig quark-gluon plasma..Jpg Ltd / Wavebreak Media / Thinkstock

Toen wetenschappers die LHC-instrumenten kalibreerden de gebruikelijke proton-proton-botsingen overgeslagen en in plaats daarvan protonen in loodkernen ramden, merkten ze een verrassend fenomeen op: de willekeurige paden die de resulterende subatomaire granaatscherf gewoonlijk nam, waren vervangen door een schijnbare coördinatie.

Eén theorie die is aangevoerd om het fenomeen te verklaren, zegt dat de impact een exotische toestand van materie heeft gecreëerd quark-gluon plasma (QGP), dat als vloeistof vloeide en gecoördineerde deeltjes produceerde terwijl het afkoelde. Zowel Brookhaven National Laboratories als de LHC hebben eerder QGP gemaakt - de dichtste vorm van materie buiten een zwart gat - door zware ionen te botsen, zoals lood en goud. Als QGP van een proton-leadbotsing mogelijk blijkt, kan dit van grote invloed zijn op ideeën over hoe wetenschappers omstandigheden zien die onmiddellijk volgen op de oerknal, toen QGP zijn korte bloeitijd had. Er is slechts één probleem: de botsing had niet genoeg energie moeten hebben om de hypothetische quarksoep te maken [bronnen: CERN; Verlenen; Roland en Nguyen; Dan].

Hoewel de meeste natuurkundigen dit idee, ondanks de problemen, bevoordelen, hebben sommigen gepleit voor een tweede verklaring met betrekking tot een theoretisch veld gecreëerd door gluonen, de deeltjes die sterke kracht veroorzaken en quarks en antiquarks in protonen en neutronen plakken. De hypothese zegt dat gluonen die meesmuren met bijna-lichtsnelheid velden vormen die ervoor zorgen dat ze met elkaar in wisselwerking staan. Als dit klopt, zou dit model waardevolle inzichten kunnen opleveren in protonenstructuur en interactie [bronnen: Grant].

1. Tekenen van nieuwe fysica na alles... of niet

5 Ontdekkingen gemaakt door de Large Hadron Collider (So Far): hadron

Zeshonderd miljoen deeltjesbotsingen per seconde kunnen veel gegevens en bijgevolg analyse genereren. Het is waarschijnlijk veilig om te zeggen dat LHC-gegevens veel meer verrassingen zullen opleveren. Fabrice Coffrini / AFP / Getty Images

Hoe onlogisch het ook mag klinken, veel natuurkundigen hoopten dat de LHC een paar gaten in het standaardmodel zou maken. Het raamwerk heeft immers problemen en misschien kan een wereldschokkende ontdekking of twee supersymmetrie bevestigen, of op zijn minst wijzen op nieuwe wegen van onderzoek. Zoals we al zeiden, heeft de LHC echter herhaaldelijk de exotische natuurkunde getroffen, terwijl het standaardmodel bij elke beurt opnieuw werd bevestigd. Toegegeven, de resultaten zijn niet allemaal in (er zijn ontzettend veel gegevens om te analyseren), en de LHC heeft zijn volledige energie van 14 tera-elektronvolts (TeV) nog niet bereikt. Desondanks zien de kansen er niet goed uit om het standaardmodel er slecht uit te laten zien.

Of misschien wel, als een rapport uit 2013 over B-mesonverval een indicatie is. Het toont B-mesonen die vervallen in een K-meson (ook bekend als een kaon) en twee muonen (deeltjes die lijken op elektronen), wat geen wenkbrauwen zou opwerpen, behalve dat het verval een patroon volgde dat niet werd voorspeld door het standaardmodel. Helaas valt de studie momenteel onder de drempel voor dansen-in-ons-lab-jassen. Toch is het hoog genoeg om de hoop op te wekken, en analyse van extra gegevens zou het van de rode zone naar de eindzone kunnen brengen. Als dat zo is, zou het vreemde patroon van verval de eerste glimp kunnen bieden van de nieuwe fysica waarnaar zo velen op zoek zijn [bronnen: Johnston; O'Neill].

Insluiten op Higgs, zes jaar later

Insluiten op Higgs, zes jaar later

Natuurkundigen hebben het favoriete vervalkanaal van het Higgs-boson ontdekt. Lees meer over het Higgs-boson op WordsSideKick.com.


Notitie van de auteur: 5 ontdekkingen gemaakt door de Large Hadron Collider

Na de voltooiing van de LHC vroegen sommigen zich af wat het voor de natuurkunde zou betekenen als het Higgs-deeltje niet zou komen opdagen. Het was niet alleen de belangrijkste raison d'être van de massale atom-smasher; het was een soort spil voor het standaardmodel.

Nu is er een groter probleem, en het gaat om de kosmische achtergrondstralingmetingen van de tweede generatie van de achtergrondbeeldvorming van kosmische extragalactische polarisatie (BICEP2). Als de waarnemingen van BICEP2 correct blijken te zijn, had het Higgs-veld tijdens de oerknal voldoende energie moeten hebben gehad om onmiddellijk een grote crunch te veroorzaken.Met andere woorden, als beide ideeën kloppen, dan moeten we hier niet zijn om te argumenteren waarom ze niet allebei waar kunnen zijn.


Video Supplement: Op zoek naar de kern - Deel 1: De deeltjesversneller van CERN.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com