5 opdagelser foretaget af den store Hadron Collider (indtil videre)

Til tider, det er de små ting, der gør dig til vanvid. I begyndelsen af ​​det 20. århundrede, fysikere syntes at have universet ret godt syet op, mellem Newtons tyngdekraft og Maxwells elektromagnetiske ligninger. Der var bare et nagende problem:hvordan man forklarer radioaktivitet. At tage fat på det udløste en videnskabelig revolution, der afslørede den fantastiske sandhed om små ting:Nogle gange indeholder de universer.

Partikelfysik og kvantemekanik, videnskaben om de helt små, bragte fysikken yderligere to grundlæggende kræfter og en menageri af mærkelige elementarpartikler, men efter 1970'erne var der kun lidt tilbage for at teste og forfine den dominerende teori, det standard model . Yderligere 30 års værdi af subatomære pletter veltet ud af acceleratorer og kolliderer fyldte nøgleemner, alligevel var der mange spørgsmål tilbage:Hvorfor havde nogle partikler masse, mens andre ikke havde det? Kunne vi forene de fire grundlæggende kræfter eller få generel relativitet og kvantemekanik til at komme sammen?

Ville en af ​​disse dinglende tråde udløse endnu en revolution? At finde ud af det ville tage en større, mere magtfuld partikelkollider end nogensinde før, en ring på 27 kilometer (27 kilometer) af superledende magneter, der er koldere end det ydre rum, i stand til at smække partikler sammen ved nær lyshastighed i et ultrahøjt vakuum. Den 10. september, 2008, denne $ 10 milliarder store Hadron Collider (LHC), hundredevis af forskere og ingeniørers samarbejdsindsats globalt, sluttede sig til Den Europæiske Organisation for Nuclear Research (CERN) acceleratorcampus og brød snart rekorder for partikelkollision.

Lad os se tilbage på det, vi har lært hidtil, startende med den mest berømte opdagelse af alle.

1. Higgs Boson
2. Tetraquarks
3. Mangler supersymmetri
4. Koordineret bevægelse
5. Tegn på ny fysik trods alt ... eller ej

5:Higgs Boson

I vores makroverden, vi antager, at alle partikler har masse, dog lille. Men i mikroverdenen, elektrisk svag teori , som binder de elektromagnetiske og svage kræfter til en underliggende kraft, forudsiger, at særlige partikler kaldes mæglere burde slet ikke have masse; hvilket er et problem, fordi nogle af dem gør.

Mæglere er tvangsbærere: Fotoner transmitter elektromagnetisme, mens W og Z bosoner bære svag kraft. Men mens fotoner er masseløse, W- og Z -bosoner pakker betydeligt kraftigt, i størrelsesordenen 100 protoner hver [kilde:CERN].

I 1964, fysiker Peter Higgs fra University of Edinburgh og teamet af François Englert og Robert Brout fra Free University of Brussels foreslog uafhængigt en løsning:et usædvanligt felt, der formidlede masse baseret på, hvor stærkt partikler interagerede med det. Hvis dette Higgs -feltet eksisterede, så burde den have en mediatorpartikel, -en Higgs boson . Men det ville kræve en facilitet som LHC at opdage det.

I 2013, fysikere bekræftede, at de havde fundet en Higgs-boson med en masse på cirka 126 giga-elektronvolt (GeV)-den samlede masse på omkring 126 protoner (masse-energiækvivalens lader fysikere bruge elektronvolt som en masseenhed) [kilder :Das]. Langt fra at lukke bøgerne, dette åbnede helt nye forskningsområder for universets stabilitet, hvorfor det ser ud til at indeholde så meget mere materie end antimateriale, og sammensætningen og overflod af mørkt stof [kilder:Siegfried].

4:Tetraquarks

I 1964, to forskere, der kæmper for at få mening om hadroner - subatomære partikler påvirket af den stærke kraft- individuelt kom på ideen om, at de var sammensat af en bestanddel med tre typer. George Zweig kaldte dem esser; Murray Gell-Mann kaldte dem kvarker og mærket deres tre typer, eller smag, som "op, "" ned "og" mærkeligt. "Fysikere ville senere identificere tre andre kvarkvarianter:" charme, " "Top og bund."

I mange år, fysikere opdelte hadroner i to kategorier baseret på de to måder, kvarker gjorde dem til: baryoner (inklusive protoner og neutroner) var sammensat af tre kvarker, hvorimod mesoner (såsom pioner og kaoner) blev dannet af kvark-antiquark-par [kilder:CERN; ODS]. Men var det de eneste mulige kombinationer?

I 2003, forskere i Japan fandt en mærkelig partikel, X (3872) , der syntes at være lavet af en charmekvark, en antikarm og mindst to andre kvarker. Mens vi udforskede partikelens mulige eksistens, fandt forskere Z (4430) , en tilsyneladende fire-kvarkpartikel. LHC har siden fundet beviser for flere sådanne partikler, som bryder - eller i det mindste væsentligt bøjer - den etablerede model for kvarkarrangementer. Sådanne Z -partikler er flygtige, men kan have trivedes i et mikrosekund eller deromkring efter Big Bang [kilder:O'Luanaigh; Diep; Give].

3:Manglende supersymmetri

Teoretikere avancerede supersymmetri , tilnavnet SUSY , for at håndtere flere nagende problemer, blev standardmodellen ubesvaret, f.eks. hvorfor nogle elementarpartikler har masse, hvordan elektromagnetisme og de stærke og svage atomkræfter engang kunne have bundet sig sammen, og eventuelt, hvad mørkt stof er lavet af. Det etablerede også et pirrende forhold mellem kvarkerne og leptoner der udgør sagen og bosoner der formidler deres interaktioner. Ligesom de tidligere nævnte baryoner, leptoner (såsom elektroner) tilhører en gruppe af subatomære partikler kaldet fermioner som har modsatrettede kvanteegenskaber til bosoner. Endnu, ifølge SUSY, hver fermion har en tilsvarende boson, og omvendt, og hver partikel kan transformere til sin modpart [kilder:CERN; Siegried].

Hvis det er sandt, SUSY ville betyde, at de to elementære partikeltyper (fermioner og bosoner) blot er to sider af den samme mønt; det ville fjerne visse løbende uendelige mængder, der dukker op i matematikken ved at lade de tilsvarende partikler annullere; og det ville give plads til tyngdekraften-en skarp udeladelse i standardmodellen-fordi fermion-boson og boson-fermion-konverteringer kan indebære gravitoner , de langteoretiserede tyngdekraftsbærere.

Fysikere håbede, at LHC enten ville finde beviser til støtte for SUSY eller afsløre dybere problemer, der ville pege mod nyt teoretisk og eksperimentelt område. Indtil nu, ingen af ​​dem ser ud til at være sket, men tæl ikke supersymmetri ud endnu. SUSY findes i mange versioner, hver knyttet til bestemte antagelser; LHC har blot sigtet nogle af de mest elegante og sandsynlige sorter ud.

2:Koordineret bevægelse

Da forskere, der kalibrerede LHC-instrumenter, sprang de sædvanlige proton-protonkollisioner over og i stedet valgte at ramme protoner i blykerner, de bemærkede et overraskende fænomen:De tilfældige stier, som de resulterende subatomære granatplader normalt tog, var blevet erstattet af en tilsyneladende koordinering.

En teori fremført for at forklare fænomenet siger, at påvirkningen skabte en eksotisk tilstand af stof kaldet kvark-gluonplasma (QGP) , som flyder som væske og frembringer koordinerede partikler, mens den afkøles. Både Brookhaven National Laboratories og LHC har tidligere skabt QGP - den tætteste form for stof uden for et sort hul - ved at kollidere tunge ioner som bly og guld. Hvis QGP fra en proton-bly-kollision viser sig at være mulig, det kan i væsentlig grad påvirke ideerne om, hvordan forskeren ser på forholdene umiddelbart efter Big Bang, da QGP havde sin korte storhedstid. Der er kun et problem:Kollisionen burde ikke have haft nok energi til at vende den hypotetiserede kvarkesuppe ud [kilder:CERN; Give; Roland og Nguyen; End].

Selvom de fleste fysikere favoriserer denne idé på trods af dens problemer, nogle har argumenteret for en anden forklaring, der involverer et teoretisk felt skabt af gluoner , partiklerne, der medierer stærk kraft og indsætter kvarker og antikvarker i protoner og neutroner. Hypotesen siger, at gluoner, der zipper langs med nær lyshastighed, danner felter, der får dem til at interagere. Hvis det er korrekt, denne model kunne give værdifuld indsigt i protonstruktur og interaktion [kilder:Grant].

1:Tegn på ny fysik trods alt ... eller ej

Så ulogisk som det måske lyder, mange fysikere håbede, at LHC ville stikke et par huller i standardmodellen. Rammerne har problemer, trods alt, og måske ville en jordskælvende opdagelse eller to bekræfte supersymmetri, eller i det mindste pege mod nye forskningsveje. Som vi nævnte, selvom, LHC har givet gentagne slag mod eksotisk fysik, mens standardmodellen ved hver sving blev bekræftet. Indrømmet, resultaterne er ikke alle i (der er frygtelig mange data at analysere), og LHC har endnu ikke ramt sin fulde energi på 14 tera-elektronvolt (TeV). Alligevel, chancerne ser ikke godt ud for at få standardmodellen til at se dårlig ud.

Eller måske gør de det hvis en rapport fra 2013 om B-meson-forfald er nogen indikation. Det viser B-mesoner, der henfalder til en K-meson (aka a kaon) og to muoner (partikler, der ligner elektroner), som ikke ville løfte øjenbryn, bortset fra at henfaldet fulgte et mønster, der ikke var forudsagt af standardmodellen. Desværre, undersøgelsen falder i øjeblikket under grænsen for dans-i-vores-lab-frakker. Stadig, det er højt nok til at vække håb, og analyse af yderligere data kan tomme det fra den røde zone til slutzonen. Hvis så, det ulige forfaldsmønster kan give det første glimt af den nye fysik, så mange leder efter [kilder:Johnston; O'Neill].

Masser mere information

Forfatterens note:5 opdagelser foretaget af den store Hadron Collider

Efter afslutningen af ​​LHC, nogle spekulerede på, hvad det ville betyde for fysikken, hvis Higgs -bosonen ikke dukkede op. Det var ikke kun den massive atom-smasher's primære eksistensberettigelse; det var en slags lynchpin til standardmodellen.

Nu er der et større problem, og det involverer de kosmiske baggrundsstrålingsmålinger foretaget af anden generation af Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP2). Hvis BICEP2's observationer viser sig at være korrekte, så skulle Higgs -feltet have været energisk nok under Big Bang til at forårsage en umiddelbar Big Crunch. Med andre ord, hvis begge ideer holder stik, så burde vi ikke være her for at skændes om, hvorfor de umuligt begge kan være sande.

relaterede artikler

• Particle Fever:The Movie
• 5 Forvirrende subatomære partikler
• Findes Higgs -bosonen?
• Fundet-Topkvarken
• Hvordan synkroniserer CERN timing -enheder?
• Sådan fungerer Large Hadron Collider
• Top 10 videnskabelige opdagelser i 2013
• Hvad er Higgs boson egentlig?

Kilder

• CERN. "Supersymmetri." (22. juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/physics/supersymmetry
• CERN. "Oprindelsen til Brout-Englert-Higgs-mekanismen." (24. juli kl. 2014) http://home.web.cern.ch/topics/higgs-boson/origins-brout-englert-higgs-mechanism
• CERN. "Standardmodellen." (22. juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/physics/standard-model
• CERN. "Heavy Ions og Quark-Gluon Plasma." (24. juli kl. 2014) http://home.web.cern.ch/about/physics/heavy-ions-and-quark-gluon-plasma
• Das, Saswato. "Hvordan Higgs Boson kan stave undergang for universet." Videnskabelig amerikansk. 26. marts 2013. (24. juli, 2014) http://www.scientificamerican.com/article/how-the-higgs-boson-might-spell-doom-for-the-universe/
• Diep, Francie. "'Ubestrideligt' bevis på en ny fire-kvarkpartikel." Populær videnskab. April10, 2014. (24. juli, 2014) http://www.popsci.com/article/science/indisputable-proof-new-four-quark-particle
• Encyclopaedia Britannica. "Standardmodel." (22. juli, 2014) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/562968/standard-model
• Give, Andrew. "Hårde tider for teoretikere i en Post-Higgs-verden." Science News. 13. juni kl. 2013. (22. juli, 2014) https://www.sciencenews.org/article/hard-times-theorists-post-higgs-world
• Give, Andrew. "Eksotisk partikel pakker en firkant af kvarker." Science News. 11. april kl. 2014. (15. juli, 2014) https://www.sciencenews.org/article/exotic-particle-packs-foursome-quarks
• Give, Andrew. "LHC ser ulige adfærd i superhot partikelsuppe." Science News. 5. december kl. 2012. (22. juli, 2014) https://www.sciencenews.org/article/lhc-sees-odd-behavior-superhot-particle-soup
• Johnston, Hamish. "Har LHCb spottet fysik ud over standardmodellen?" Physics.org. 2. august, 2013. http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/aug/02/has-lhcb-spotted-physics-beyond-the-standard-model
• Nobel pris. "Nobelprisen i fysik 2013." (22. juli, 2014) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/
• O'Luanaigh, Cian. "LHCb bekræfter eksistensen af ​​eksotiske hadroner." CERN. 9. april kl. 2014. (30. juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/updates/2014/04/lhcb-confirms-existence-exotic-hadrons
• O'Neill, Ian. "Hints om ny fysik fundet i LHC?" Discovery News. 2. august, 2013. (22. juli, 2014) http://news.discovery.com/space/hints-of-new-physics-detected-in-the-lhc-130802.htm
• Oxford Dictionary of Science. "Elementarpartikler" Isaacs, Alan, John Daintith og Elizabeth Martin, red. Oxford University Press. 4. udgave. 2003.
• Roland, Christof og Matthew Nguyen. "Quark Matter 2014:Nyheder fra CMS." CERN Courier. 22. maj kl. 2014. (22. juli, 2014) http://cms.web.cern.ch/news/quark-matter-2014-news-cms
• Siegfried, Tom. "Det er næsten tid til at lære Higgs Boson bedre at kende." Science News. 23. juni kl. 2014. (15. juli, 2014) https://www.sciencenews.org/blog/context/its-almost-time-get-know-higgs-boson-better
• Siegfried, Tom. "Det er for tidligt at erklære supersymmetri for en tragedie." Science News. 17. oktober kl. 2013. (22. juli, 2014) https://www.sciencenews.org/blog/context/it%E2%80%99s-too-soon-declare-supersymmetry-tragedy?mode=blog&context=117
• Siegfried, Tom. "Higgs -masse er ikke naturlig, men måske skulle det ikke være det. "Science News. 23. juni, 2014. (22. juli, 2014) https://www.sciencenews.org/blog/context/higgs-mass-isnt-natural-maybe-it-shouldnt-be
• Strassler, Matt. "Hvad er en proton, alligevel? "Af særlig betydning blog. (5. august, 2014) http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/largehadroncolliderfaq/whats-a-proton-anyway/
• End, Ker. "Tætteste stof skabt i Big-Bang-maskine." National Geographic News. 24. maj kl. 2011. (22. juli, 2014) http://news.nationalgeographic.com/news/2011/05/110524-densest-matter-created-lhc-alice-big-bang-space-science/