Nucleaire Detectives Jagen Onzichtbare Deeltjes Die De Grootste Atoomasker Ter Wereld Zijn Ontsnapt

{h1}

De large hadron collider heeft sinds het higgs-deeltje geen nieuwe fysica gevonden. Een team van buitenaardse natuurkundigen denkt dat ze weten waarom.

Over een paar jaar, als een bemanning van fysici zijn zin krijgt, zal een kraakpand boven de grens tussen Frankrijk en Zwitserland uitrijzen. Deze annex-size bijlage zal aansluiten bij een wetenschappelijke faciliteit zo groot dat hij de nationale grenzen overschrijdt. En als de onderzoekers die de constructie voorstellen correct zijn, kan het misschien de ontbrekende stukjes van het universum vinden.

Gescheiden door een paar honderd verticale voeten gesteente graniet van de Large Hadron Collider (LHC), zou het nieuwe gebouw een wetenschappelijk instrument bevatten genaamd het MATHUSLA-apparaat (Massive Timing Hodoscope voor Ultra Stable Neutral Particles), genoemd naar de langstlevende man in het boek Genesis. Zijn taak: op jacht naar langlevende deeltjes die de LHC zelf niet kan detecteren.

Er is iets vreemds aan het idee. De LHC is de grootste, gemeenste deeltjesversneller ter wereld: een 27 kilometer lange ring van supergeleidende magneten die 11.245 keer per seconde een paar duizend protonen tegen elkaar werpen bij aanzienlijke delen van de lichtsnelheid en vervolgens, wanneer er iets interessants gebeurt, registreert het resultaat. [Beyond Higgs: 5 Andere deeltjes die zich in het heelal kunnen bevinden]

De relatie van MATHUSLA met die enorme machine zou lijken op die van een onschuldige remora-vis die zich vastklampt aan de zijkant van een leviathan, en zwerfvuiltjes opzamelt die verspild zijn uit de open mond van het grotere wezen. Maar sommige natuurkundigen denken dat MATHUSLA door een zorgvuldige studie van die vlekken (in dit geval verdwaalde, langlevende, hoogenergetische deeltjes die door de muren van LHC worden gesmeerd) een aantal problemen zal oplossen die de LHC heeft, tot de toenemende alarm van deeltjesfysici, kon niet overwinnen.

Dat zal gebeuren, dat wil zeggen, als de makers van MATHUSLA iemand kunnen vinden om ervoor te betalen.

Ontbrekende fysica

Het quantumuniversum is nu een puzzel waarbij de meeste stukjes ontbreken. Die stukjes die wetenschappers al hebben gevonden en samengesteld - quarks, neutrino's, bosonen, het muon en tau lepton, het foton en gluon, en, het meest bekende, het Higgs-deeltje - passen samen om een ​​beeld te vormen, het standaardmodel. Maar die foto is vreemd gevormd en vol gaten en hints dat er meer natuurkunde te vinden is.

Eén hiaat is het Higgs-deeltje. Zoals David Curtin, een professor aan de Universiteit van Toronto en een van de grondleggers van het MATHUSLA-concept, uitlegde, is de Higgs gewoon niet zo massief als de kwantumfysica voorspelt. Het huidige model van het universum vereiste dus een grote, willekeurig-ogende "correctie" in Higgs-gerelateerde vergelijkingen.

Eeuwenlange ervaring vertellen wetenschappers dat zulke correcties normaal zijn voor dingen die onderzoekers gewoon nog niet begrijpen. De kosmologische constante van Albert Einstein was een voorbeeld, een idee dat hij in zijn theorie van algemene relativiteitstheorie stopte om rekenschap te geven van wat wetenschappers later ontdekten als de effecten van het zich uitbreidende universum - iets wat Einstein nooit vermoedde en later betreurde het niet te anticiperen. [8 manieren waarop je de relativiteitstheorie van Einstein in het echte leven kunt zien]

Natuurkundigen, legde Curtin uit, vermoeden dat de vreemd kleine massa van de Higgs impliceert dat andere, niet-ontdekte deeltjes er zijn die het beïnvloeden. Deze en andere vreemde scheuren in werkelijkheid - zoals alle ontbrekende, mysterieuze massa in het universum dat wetenschappers donkere materie noemen - suggereren dat er nog steeds veel fysica is die natuurkundigen nog niet hebben gezien.

Het doel van de LHC was om die gaten in de puzzel van het universum in te vullen.

Jessie Shelton, een theoretisch fysicus aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign die meehielp met het bewerken van een white paper pitching MATHUSLA, zei dat de LHC tot nu toe - met als belangrijke uitzondering de Higgs-boson-detectie zelf - een teleurstelling was. De Higgs verschenen, maar sindsdien, zelfs na een reeks upgrades van de machine, heeft de jacht op nieuwe deeltjes niets opgeleverd.

Dat zou kunnen zijn omdat mensen de toevoer van deeltjes hebben uitgeput die we ooit zullen kunnen detecteren. Of het kan zijn dat de LHC, misschien vanwege problemen met zijn detectoren of omdat de straal te zwak is, gewoon niet aan de taak voldoet, zei ze.

"Er is absoluut iets nieuws, donkere materie vertelt ons dat. Helaas hebben we geen enkele garantie dat alles wat er is met ons moet praten tegen tarieven die we kunnen detecteren bij de LHC," vertelde Shelton WordsSideKick.com

En zolang de LHC, met een kostprijs van tientallen miljarden dollars, er niet in slaagt nieuwe fysica te ontdekken buiten de Higgs, zei ze, zal het moeilijk zijn om in de toekomst grotere detectors te bouwen. [Foto's: 's werelds grootste Atom Smasher (LHC)]

"Op dit moment hebben we nieuwe ideeën nodig", zei ze.

Het grote nieuwe idee

In april stond Shelton voor een groep fysici op de grote bijeenkomst van de American Physical Society (APS) in Columbus, Ohio, en voerde aan dat de LHC mogelijk al ontbrekende deeltjes had gemaakt, maar ze mogelijk niet kon detecteren. Dat komt omdat alle sensoren van de LHC zijn gekalibreerd om een ​​specifiek soort gebeurtenis te detecteren:

Een exotisch deeltje verschijnt in de hoogenergetische botsing van twee protonen. Het vergaat een verbijsterende korte tijd later in meer stabiele, minder exotische deeltjes, die in alle richtingen wegwaaien in een vuurwerk.Die deeltjes passeren ionisatieplaten en flikkerende kristallen rond de straal van de botser, en hun specifieke patroon biedt natuurkundigen aanwijzingen over het soort exotische deeltjes waar ze vandaan kwamen.

Een weergave van een proton-protonenbotsing in de LHCb-detector in de vroege uren van 9 mei 2016.

Een weergave van een proton-protonenbotsing in de LHCb-detector in de vroege uren van 9 mei 2016.

Krediet: LHCB

De LHC kon al handtekeningen van langlevende deeltjes oppikken met enige herkalibratie, zei Shelton. Zelfs een meestal langlevend deeltje zal soms snel vervallen. En sommige langlevende deeltjes kunnen veelbetekenende tekens achterlaten in de sensoren voordat ze vervallen. Het detecteren ervan kan een kwestie zijn van het opnieuw kalibreren van de detectoren en algoritmen. Shelton noemde dit plan met behulp van het LHC "off label". [Wat is kwantummechanica] Maar misschien betoogde Shelton dat de ontbrekende exotische deeltjes niet zo snel vergaan als de ontwerpers van de LHC hoopten. Misschien bestaan ​​er speculatieve deeltjes zoals "gluinos" en "samengestelde donkere gluballs" die verschijnen bij de LHC maar niet vervallen in de nauwe tunnel. Als een gluino bijvoorbeeld zelfs enkele breuken van een seconde langer kan overleven dan de natuurkundigen verwachtten, kon deze - met een aanzienlijk deel van de lichtsnelheid bewegen - de wanden van de rijder doorboren, honderden meters door het massieve graniet begraven dat de LHC, en ga op weg naar de Frans-Zwitserse zon voordat je ergens alleen in het bos vergaat. De signatuur ervan zou dus ver buiten het vermogen van de LHC om te detecteren zijn. [Strange Quarks and Muons, Oh My! De kleinste deeltjes van de natuur ontleed]

Toch denken deze onderzoekers dat de beste hoop voor het detecteren van langlevende deeltjes ligt in de bossen aan de Frans-Zwitserse grens. MATHUSLA, in wezen een 20 meter hoog pakhuis vol met deeltjesdetectoren op de top van de LHC, zou deeltjes bestuderen die volledig aan de LHC ontsnapt zijn.

Met een dikke vloer van graniet die de LHC-straal scheidt van MATHUSLA, zou de meeste van de kolkende, radioactieve chaos van de LHC verdwijnen. Alleen de relatief zeldzame poppen van langlevende deeltjes die door de aarde en in de sensorkamer bewegen, moeten worden gedetecteerd.

"Als een onzichtbaar deeltje naar boven komt en vergaat, zullen de zichtbare deeltjes [het vervalt in] zich een beetje tegen het plafond uitstrekken," zei Curtin. "De lagen van [detectors] zullen deze sporen op precies dezelfde manier zien als de trackers in de LHC beneden, maar deze [detector array] is veel groter en kan het zich veroorloven om veel langzamer te zijn."

Het veld

Omdat er minder deeltjes te detecteren zijn in een groter detectiegebied, kan MATHUSLA zeer gedetailleerde foto's maken van exotische deeltjes die erin rotten - zolang er echt exotische deeltjes zijn om te detecteren.

'Daar wacht je gewoon op, vogels fluiten en dan is er plotseling een...' Curtin maakte het snelle rat-a-tat geluid van een machinegeweer, of in dit geval misschien de geladen deeltjes uit een machinegeweer. rottende gluino.

Vanwege dat trage tempo en grotere ruimte, zei Curtin, zijn de elektronica en engineering die nodig zijn voor MATHUSLA veel eenvoudiger dan die in de LHC zelf.

"Het is niet goedkoop," erkende hij. "Maar het is niet gek."

Op de schaal die hij en zijn collega's voor ogen hebben, zou het slechts een fractie van de kosten van de LHC van miljoenen dollars moeten bedragen - ergens in het stadion van $ 50 miljoen, zei hij. De ontwerpers van MATHUSLA hopen dat CERN, de Europese organisatie voor nucleair onderzoek, die de LHC exploiteert, de rekening zal betalen. Maar ze zijn ook hoopvol over subsidies van niet-Europese landen, of misschien individuele rijke mensen.

"[De LHC] zou deze dingen al kunnen maken," zei hij, een beetje riep: "We hebben de prijs betaald om ze te maken! We hebben de $ 10 miljard betaald voor de rijder! We maken ze al - misschien, ik bedoel, je weet wel... "

Zijn stem zweefde even weg, voordat hij terugkeerde met: "Hoe dom zouden we zijn als we gewoon niet die extra dollar zouden uitgeven om de detector te maken om echt te zien wat we gemaakt hebben ?!"

Shelton zei ook dat de LHC de extra detector nodig heeft. Maar ze heeft de bezorgdheid in dat "misschien" duidelijk gemaakt en waarom ze nog steeds denkt dat het project gerechtvaardigd is.

"Als we pessimistisch zijn, en we gaan zeggen dat er misschien niets is," zei ze, "ik wil weten dat het er echt niet is en niet wordt gemist alleen omdat we vergeten zijn te kijken."

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