Na Higgs Jaagt Ramped-Up Collider Op De Volgende Puzzel

{h1}

Met de kracht van een vroeg universum onder controle, wat zal de lhc vervolgens vinden?

Don Lincoln is een senior wetenschapper bij Fermilab, het grootste Amerikaanse onderzoekscentrum voor Large Hadron Colliders. Hij schrijft ook over wetenschap voor het publiek, inclusief zijn recente "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Blow Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014). Je kunt hem volgen Facebook. Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan WordsSideKick.com's Expertvoices: Op-Ed & Insights.

Ergens onder de Frans-Zwitserse grens hebben twee protonen een datum met bestemming. Gevangen in de Large Hadron Collider (LHC), 's werelds grootste en krachtigste deeltjesversneller, volgen ze een cirkelvormige baan in tegengestelde richtingen met snelheden die erg dicht bij de snelheid van het licht liggen.

Als ze elkaar naderen, is hun lot duidelijk: een botsing is onvermijdelijk. Je zou je kunnen voorstellen dat een botsing tussen twee protonen eruit ziet als een botsing tussen subatomaire biljartballen. Maar de regels van de microrealm wijken nogal af van wat de vertrouwde intuïtie die in de uithoek van de pub is ontwikkeld, zou suggereren. [Wauw! Bekijk een drone vlieg door 's werelds grootste Atom Smasher]

Een van de eerste geregistreerde deeltjesbotsingen met een energie van 13 biljoen elektronvolt, (tera-elektronvolts of TeV), geregistreerd door het CMS-experiment op de LHC.

Een van de eerste geregistreerde deeltjesbotsingen met een energie van 13 biljoen elektronvolt, (tera-elektronvolts of TeV), geregistreerd door het CMS-experiment op de LHC.

Credit: CERN

Botsen met succes

Na een onderbreking van meer dan twee jaar is de LHC opnieuw actief. Na een breed programma van verbouwingen, retrofits en upgrades, is de accelerator in wezen een geheel nieuwe faciliteit. Met bijna twee keer zoveel energie en drie keer zoveel botsingen per seconde, zal de LHC botsingen veroorzaken in de centra van vier enorme experimenten, elk klaar om de ontdekking van de eeuw te maken.

Sinds Einsteins artikelen uit 1905 over relativiteitstheorie, hebben natuurkundigen geweten van de gelijkwaardigheid tussen energie en massa. Zoals beschreven door de beroemde vergelijking van Einstein (E = mc2), kan energie worden omgezet in materie en omgekeerd. En dat is een van de grote dingen die in een deeltjesversneller gebeurt. De enorme kinetische (d.w.z. bewegende) energie van de twee binnenkomende bundeldeeltjes wordt omgezet in de massa deeltjes die niet bestonden vóór de botsing.

Het is op deze manier dat twee protonen, elk met een lage massa (ongeveer 1 miljard elektronvolt voor de techno-menigte), kunnen botsen en het Higgs-deeltje kunnen maken, wat een deeltje is met een massa die ongeveer 125 keer zwaarder is dan die van een proton. De bewegingsenergie van de protonen wordt letterlijk omgezet in een zeer zwaar deeltje.

Een botsing opgenomen door het CMS-experiment in 2011 dat kandidaat was voor Higgs-gegevens.

Een botsing opgenomen door het CMS-experiment in 2011 dat kandidaat was voor Higgs-gegevens.

Credit: CERN

Toen de LHC in 2010 operationeel werd, had het een duidelijke missie. Twee grote experimenten, elk bestaande uit ongeveer 3000 wetenschappers, waren voornamelijk gericht op het vinden van het Higgs-deeltje. Voorspeld in 1964 is het Higgs-deeltje verbonden met het Higgs-veld, waarvan wordt gedacht dat het de massa aan fundamentele (d.w.z. puntachtige) subatomaire deeltjes geeft. Het vinden van het Higgs-deeltje betekende dat het idee van het Higgs-veld gevalideerd was.

Voorafgaand aan zijn ontdekking was het Higgs-deeltje het laatste ontbrekende onderdeel van het enorm succesvolle standaardmodel van deeltjesfysica. In combinatie met de theorie van algemene relativiteitstheorie van Einstein kan het standaardmodel het gedrag beschrijven van alle zaken die ooit zijn waargenomen - van de materie in jou en mij, tot majestueuze sterrenstelsels die door de kosmos vlogen.

Hoewel de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 inderdaad een enorm succes was voor de wetenschappelijke gemeenschap, kwam de triomf met een teleurstelling. Het uitleggen van dit is eenvoudig: in wezen was het Higgs-deeltje een laatste stuk dat de standaardmodelpuzzel voltooide. Zoals elke liefhebber van puzzels je zal vertellen, zijn het echter de tabbladen en losse stukken waaruit je een puzzel kunt bouwen. Het hangende tabblad geeft u een hint over wat het volgende stuk zal zijn. Maar een voltooide puzzel zegt niets over wat je vervolgens moet doen.

De mysteries die overblijven

Het is niet zo dat we geen mysteries hebben in de wereld van de natuurkunde. Door onze observatie van sterrenstelsels weten we dat ze sneller roteren dan kan worden verklaard door de bekende wetten van zwaartekracht en de materie die we kunnen detecteren. Om dat mysterie uit te leggen, hebben we een niet-geobserveerde vorm van materie uitgevonden die donkere materie wordt genoemd. De fundamentele aard van donkere materie is zeker een groot mysterie.

Een ander mysterie komt voort uit die beroemde Einstein-vergelijking, E = mc2. Het zegt eigenlijk dat wanneer energie wordt omgezet in materie, er evenveel antimaterie wordt gemaakt. Tijdens de oerknal was het universum vol energie en deze energie veranderde in gelijke hoeveelheden materie en antimaterie. Maar als wetenschappers naar het universum kijken, zien ze alleen materie. Waar ging de antimaterie naartoe? Hoewel natuurkundigen een paar hints hebben gehad van eerdere experimenten, weten we het antwoord niet echt. Dit is een ander mysterie.

Er zijn ook andere mysteries, zoals afvragen of er kleinere bouwstenen van het universum zijn dan die waarmee we nu vertrouwd zijn. Naar aanleiding van de geschiedenis van onderzoeken naar die vraag, hebben we geleerd van moleculen en vervolgens van atomen. Onderzoek in de vroege jaren 1900 onthulde protonen, neutronen en elektronen, en de jaren zestig brachten de quarks en leptonen aan het licht die momenteel als de kleinste deeltjes van de natuur worden beschouwd. Het is echter normaal om te vragen of er misschien nog kleinere bouwstenen zijn.Hoewel wetenschappers het antwoord niet weten, moet er een soort van diepere en meer fundamentele fysica zijn die de patronen in de quarks en leptonen kan verklaren. Het antwoord op die vraag is nog een ander mysterie.

Engineers werken aan een van de CMS-detectoren tijdens de geplande twee jaar durende stillegging van de LHC.

Engineers werken aan een van de CMS-detectoren tijdens de geplande twee jaar durende stillegging van de LHC.

Credit: CERN

De merkwaardige Higgs-bosonmassa

Natuurkundigen kennen het antwoord op deze fundamentele vragen niet, en eerlijk gezegd is het mogelijk dat de LHC ons geen enkele van die geheimen van de natuur leert. Maar er is een vraag waarvoor LHC-gegevens een zekerder gok zijn.

Het komt voort uit mysteries die ontstaan ​​in berekeningen van de massa van het Higgs-boson. Wanneer wetenschappers deze waarde rechtstreeks uit de theorie proberen te berekenen, is het resultaat veel hoger dan de LHC-gegevens suggereren.

Vanwege de wetten van de kwantummechanica, kan het Higgs-deeltje fluctueren in andere soorten deeltjes (bijv. De topkwark, de W- en Z-bosonen en zelfs paren van Higgs-bosonen). Dit gedrag leidt tot voorspellingen van de massa van het Higgs-deeltje die dichter bij de Planck-massa liggen, honderd-triljard keer zwaarder dan de massa die wetenschappers hebben gemeten. (De Planck-mis is de hoogste massa die onze huidige theorieën zouden kunnen toepassen en markeert een grens waarboven we zeker zijn dat we alles zullen moeten heroverwegen.)

Dit is duidelijk een probleem, en fysici hebben tientallen jaren verbeeld dat ze mogelijke verklaringen konden bedenken, nog vóór de ontdekking van het Higgs-boson. (Het was tenslotte al vroeg duidelijk dat dit probleem zou bestaan ​​als het Higgs-deeltje een massa zou hebben die ontdekt zou kunnen worden.)

supersymmetrie

De meest populaire theoretische uitleg is een principe genaamd supersymmetrie. Dit idee postuleert in essentie dat de krachtdragende bosonen (deeltjes met een subatomaire spin die een integer veelvoud van ħ is, wat de natuurlijke eenheid is voor spin in de kwantumwereld). Bijvoorbeeld, fotonen van spin 1 x ħ en de materiedragende fermionen (deeltjes met een half geheel subatomaire spin, bijv. Elektronen van spin 1/2 x ħ) zouden op een symmetrische manier in de theorie moeten verschijnen. Dat betekent dat als je alle fermion- en bosonsymbolen verwisselt, de vergelijking ongewijzigd blijft. In wezen brengt dit krachten en materie op gelijke voet, waardoor ze conceptueel uitwisselbaar zijn.

En in theorieën met supersymmetrie komen er nieuwe deeltjes tevoorschijn, neven en nichten van de bekende deeltjes van het standaardmodel. Supersymmetrie zegt dat de bekende quarks en leptonen moeten komen met nieuwe, gerelateerde deeltjes die natuurkundigen nu squarks en slopen noemen. Evenzo moeten supersymmetrische analogen van het foton en gluon, fotino's en glucino's genoemd, bestaan.

Let wel, er is nooit een direct bewijs gevonden voor het bestaan ​​van deze supersymmetrische deeltjes. Als ze echter wel bestaan, kunnen wetenschappers de kwantummechanische eigenschappen van deze deeltjes gebruiken om de bijdrage van de bekende deeltjes aan de berekening van de massa van het Higgs-deeltje te annuleren. Met supersymmetrie die de andere deeltjes voor hun rekening neemt, resulteren de berekeningen in een voorspelde massa van het Higgs-deeltje dat klein is, in overeenstemming met metingen.

Wetenschappers vieren de eerste geregistreerde botsingen op 13TeV in CERN's LHC Control Center op 3 juni 2015.

Wetenschappers vieren de eerste geregistreerde botsingen op 13TeV in CERN's LHC Control Center op 3 juni 2015.

Credit: CERN

Het enthousiasme van sommige wetenschappers voor supersymmetrie is getemperd door het feit dat supersymmetrische deeltjes niet zijn waargenomen. Onderzoekers verkennen dus andere mogelijkheden, bijvoorbeeld de ideeën dat er mogelijk extra ruimtedimensies bestaan ​​of dat het Higgs-deeltje kleinere deeltjes bevat. Deze ideeën en anderen zijn alternatieve benaderingen voor het temmen van de onhandelbare voorspellingen van de massa van het Higgs-deeltje.

Om de beroemde filosoof Yogi Berra te citeren, is het moeilijk om voorspellingen te doen, vooral over de toekomst. Het is dus moeilijk om precies te weten welke ontdekkingen zullen worden gedaan op de LHC. Het lijkt echter waarschijnlijk dat het mysterie van de massa van het Higgs-deeltje de meest veelbelovende rode draad is waarop wetenschappers kunnen trekken. Hopelijk laat de juiste sleepboot ons het bestaande standaardmodel ontrafelen en ons in staat stellen een nog betere theorie te breien. Alleen de tijd zal uitwijzen of we succesvol zullen zijn.

Volg alle Expert Voices-problemen en debatten - en deel uitmaken van de discussie - op Facebook, Twitter en Google+. De weergegeven meningen zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de mening van de uitgever. Deze versie van het artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: .




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

© 2005–2019 WordsSideKick.com