Fysikere undersøger stadig dybere ind i universets ting

Fysikere ved University of Virginia har for nylig spillet nøgleroller i nye partikelfysiske opdagelser. Forskerne er involveret i store internationale samarbejder ved hjælp af store faciliteter designet til at udvide vores viden om de mest intime detaljer om, hvordan de mindste kendte atomer kan have født universet.

Forskningsprojekterne ledes ved UVA af fysikeren Craig Dukes, arbejder med det amerikanske energiministeriums Fermi National Laboratory i Illinois; Chris Neu, der arbejder med Large Hadron Collider i Europa; og Kent Paschke, der arbejder med DOE's Thomas Jefferson National Accelerator Facility, eller Jefferson Lab, i Newport News.

Hertuger, Neu og deres teams er en del af UVA's High Energy Physics Laboratory, som er dedikeret til at besvare grundlæggende spørgsmål, der involverer alting. Værket er "høj energi", fordi det kræver enorme elektroniske enheder til at skabe kontrollerede kollisioner mellem protoner, designet til at bryde dem fra hinanden og udsætte deres bestanddele eller at rejse lange afstande og undergå ændringer, mens de går. Paschke, der også er i UVA -fysikafdelingen, fokuserer på projekter med Jefferson Lab.

Alle eksperimenterne kræver kraftfulde, big-data computere og computerteknikker til at hjælpe forskere med at indhente forståelse i ekstreme detaljer, der er lavet af milliarder af partikelinteraktioner.

Higgs og Quarks

For første gang, forskere har målt den direkte interaktion mellem Higgs -bosonen (undertiden kaldet "Gudpartiklen") med en anden type tung partikel kaldet "topkvarker". Higgs boson, som blev teoretiseret i 1960'erne og skaber et felt, hvorigennem alt andet stof eksisterer, blev berømt bekræftet i 2012 ved forsøg på Large Hadron Collider nær Genève, Schweiz. UVA -forskere spillede nøgleroller i denne opdagelse.

Denne forbindelse mellem Higgs og topkvarkerne er vigtig, fordi, i teorien, partikler får deres masse ved at interagere med Higgs -feltet, og masse er nødvendig for at ting kan eksistere. Dette er en grundlæggende del af standardmodellen for fysik, som forsøger at forklare, hvordan elementarpartikler - partiklerne, der udgør selve universet - fungerer. Det har længe givet mening for fysikere, at Higgs -partikler og topkvarker ville interagere, men det skulle bevises.

Gennem en lang række eksperimenter på Large Hadron Collider, forskere har bevist, at de faktisk gør det. Neu, en mangeårig UVA -professor i fysik, og hans team spillede en stor rolle i opdagelsen, offentliggjort for nylig i det fremtrædende tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

"Forskere havde brug for præcise teoretiske forudsigelser for egenskaberne ved baggrundsprocesser samt udvikling af kraftfulde dataanalysemetoder, der bruger maskinlæring til at lære en computer at skelne signalhændelser fra baggrund, "Neu sagde." UVA -studerende og postdocs har arbejdet med begge disse vitale aspekter af analysen i løbet af de sidste syv år. "

Neu bemærkede, at fundet er et vigtigt skridt i at fremme forståelsen af ​​Higgs -bosonen og dets rolle i interaktioner mellem andre partikler, men bemærket, at der stadig er masser af plads til opdagelse af i øjeblikket ukendte fænomener.

"I de kommende år, meget mere data vil blive indsamlet, og præcisionen vil blive forbedret, for at se om Higgs afslører tilstedeværelsen af ​​fysik ud over standardmodellen, "sagde han." Dette er spændende, fordi vi ved, at Standardmodellen er en ufuldstændig teori; hvis vi nogensinde vil forstå, for eksempel, arten af ​​mørkt stof, det kan komme fra at finde en uoverensstemmelse i det, vi observerer vedrørende Higgs i forhold til den almindeligt accepterede forudsigelse af, hvad der kan ske. "

Forstå Neutrinos

I mere end tre år har forskere har observeret partikler kaldet neutrinoer, da de svinger fra en type til en anden over en afstand på 500 miles. I et massivt projekt på 300 millioner dollars på Fermilab kaldet NOvA, formålet er at opdage mere om neutrinoer - spøgelsesagtige og rigelige partikler, der bevæger sig gennem stof, mest uden at efterlade spor.

Det er vigtigt, fordi universet, i sin nuværende tilstand, er et resultat af partikelinteraktioner, der fandt sted i de første sekunder efter Big Bang for næsten 14 milliarder år siden.

Eksperimentets langsigtede mål er at lede efter ligheder og forskelle i, hvordan neutrinoer og antineutrinoer ændrer sig fra en type-i dette tilfælde, muon - til en af ​​de to andre typer, elektron eller tau. Præcis måling af denne ændring i både neutrinoer og antineutrinoer, og derefter sammenligne dem, vil hjælpe forskere med at låse op for de hemmeligheder, som disse partikler har om, hvordan universet fortsat fungerer på sit mindste niveau - det niveau, der sammensætter de store ting:galakser, stjerner, planeter, øl.

Nu, forskere, herunder en gruppe ledet af UVA -fysikprofessor Craig Dukes, har set stærke tegn på, at muon -antineutrinoer oscillerer til elektronantineutrinoer, et fænomen, der aldrig var blevet entydigt observeret.

NOvA bruger to store partikeldetektorer - en mindre ved Fermilab i Illinois og en langt større 500 miles væk i det nordlige Minnesota - til at studere en partikelstråle genereret af Fermilabs acceleratorkompleks og sendt direkte gennem Jorden, ingen tunnel nødvendig (neutrinoer rejser i det væsentlige uhindret gennem stof).

Nøglen til NOvAs videnskabelige program er at sammenligne den hastighed, hvormed elektronneutrinoer vises i fjerndetektoren med den hastighed, som elektronantineutrinoer viser. En præcis måling af disse forskelle vil gøre det muligt for NOvA at nå et af sine vigtigste videnskabelige mål:at bestemme hvilken af ​​de tre typer neutrinoer, der er den tungeste, og hvilken den letteste, alt en del af søgen efter at pusle ud hvordan og hvorfor eksistensen eksisterer.

Nogle af detektorinstrumenterne på Fermilab blev designet og bygget på UVA's High Energy Physics Lab.

Den svage side af protonen

Et nyt resultat fra et stort eksperiment ved Thomas Jefferson National Accelerator Facility giver en præcisionstest af den "svage kraft, " hvilken, mens svaglydende, er en af ​​fire grundlæggende kræfter i naturen. Fundet, offentliggjort i tidsskriftet Natur , giver et vindue til potentielle nye partikler, der kan undersøges nærmere ved Large Hadron Collider.

Selvom den svage kraft er vanskelig at observere direkte, dens indflydelse kan mærkes i vores hverdag. For eksempel, den starter reaktionskæden, der driver solen, og det giver en mekanisme til radioaktive henfald, der delvis opvarmer Jordens kerne - og som også gør det muligt for læger at opdage sygdom inde i kroppen uden kirurgi.

Nu, forskerne, herunder Paschke og hans UVA -samarbejdspartner, fysiker Gordon Cates, har afsløret en af ​​de svage styrkers hemmeligheder:den præcise styrke ved dens greb om protonen. De gjorde dette ved at måle protonens svage ladning til høj præcision, som de sonderede ved hjælp af stråler af høj kvalitet, der var tilgængelige på Jefferson Labs Continuous Electron Beam Accelerator Facility.

Protonens svage ladning er analog med den mere velkendte elektriske ladning, et mål for den indflydelse protonen oplever fra den elektromagnetiske kraft. Disse to interaktioner er nært beslægtede i standardmodellen, som beskriver de elektromagnetiske og svage kræfter som to forskellige aspekter af en enkelt kraft, der interagerer med subatomære partikler.

For at måle protonens svage ladning, en intens elektronstråle blev rettet mod et mål indeholdende koldt flydende hydrogen, og elektronerne spredt fra dette mål blev detekteret i en præcis, specialbygget måleudstyr. Nøglen til eksperimentet er, at elektronerne i strålen var stærkt polariserede - forberedt før acceleration for det meste at "spinde" i en retning, parallelt eller antiparallelt med stråleretningen. Med polariseringsretningen hurtigt vendt på en kontrolleret måde, eksperimenterne var i stand til at låse fast på den svage interaktions unikke egenskab ved paritet (ligner spejlsymmetri) krænkelse, for at isolere dens bittesmå virkninger til høj præcision:En anden spredningshastighed med omkring to dele på 10 millioner blev målt for de to strålepolarisationstilstande.

Protonens svage ladning viste sig at være i god overensstemmelse med forudsigelser af standardmodellen, som tager højde for alle kendte subatomære partikler og de kræfter, der virker på dem. Fordi protonens svage ladning er så præcist forudsagt i denne model, resultatet giver indsigt i forudsigelser af hidtil uobserverede tunge partikler, såsom dem, der kan blive produceret af Large Hadron Collider eller fremtidige højenergi-partikelacceleratorer.