LHC skaber stof ud fra lys

The Large Hadron Collider leger med Albert Einsteins berømte ligning, E =mc ² , at omdanne stof til energi og derefter tilbage til forskellige former for stof. Men i sjældne tilfælde, den kan springe det første skridt over og kollidere med ren energi – i form af elektromagnetiske bølger.

Sidste år, ATLAS-eksperimentet ved LHC observerede to fotoner, partikler af lys, ricocheting af hinanden og producerer to nye fotoner. Dette år, de har taget den forskning et skridt videre og opdaget, at fotoner smelter sammen og forvandler sig til noget endnu mere interessant:W bosoner, partikler, der bærer den svage kraft, som styrer nukleart henfald.

Denne forskning illustrerer ikke kun det centrale koncept, der styrer processer inde i LHC:at energi og stof er to sider af samme mønt. Det bekræfter også, at ved høje nok energier, kræfter, der virker adskilte i vores hverdag – elektromagnetisme og den svage kraft – forenes.

Fra masseløs til massiv

Hvis du prøver at replikere dette foton-kolliderende eksperiment derhjemme ved at krydse strålerne fra to laserpointere, du vil ikke være i stand til at oprette nyt, massive partikler. I stedet, du vil se de to stråler kombineres for at danne en endnu skarpere lysstråle.

"Hvis du går tilbage og ser på Maxwells ligninger for klassisk elektromagnetisme, du vil se, at to kolliderende bølger opsummerer til en større bølge, " siger Simone Pagan Griso, en forsker ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory. "Vi ser kun disse to fænomener observeret for nylig af ATLAS, når vi sammensætter Maxwells ligninger med speciel relativitet og kvantemekanik i den såkaldte teori om kvanteelektrodynamik."

Inde i CERNs acceleratorkompleks, protoner accelereres tæt på lysets hastighed. Deres normalt afrundede former klemmer sig langs bevægelsesretningen, da speciel relativitet afløser de klassiske bevægelseslove for processer, der finder sted ved LHC. De to indkommende protoner ser hinanden som komprimerede pandekager ledsaget af et lige så presset elektromagnetisk felt (protoner oplades, og alle ladede partikler har et elektromagnetisk felt). Energien fra LHC kombineret med længdekontraktionen øger styrken af ​​protonernes elektromagnetiske felter med en faktor på 7500.

Når to protoner græsser hinanden, deres sammenklemte elektromagnetiske felter skærer hinanden. Disse felter springer over den klassiske "amplify"-etikette, der gælder ved lave energier, og følger i stedet reglerne skitseret af kvanteelektrodynamikken. Gennem disse nye love, de to felter kan flette og blive "E" i E =mc².

"Hvis du læser ligningen E=mc² fra højre mod venstre, du vil se, at en lille mængde masse producerer en enorm mængde energi på grund af c²-konstanten, som er lysets hastighed i anden " siger Alessandro Tricoli, en forsker ved Brookhaven National Laboratory - det amerikanske hovedkvarter for ATLAS-eksperimentet, som modtager støtte fra DOE's Office of Science. "Men hvis man ser på formlen den anden vej rundt, du vil se, at du skal starte med en enorm mængde energi for at producere selv en lille mængde masse."

LHC er et af de få steder på Jorden, der kan producere og kollidere energiske fotoner, og det er det eneste sted, hvor videnskabsmænd har set to energiske fotoner smelte sammen og transformeres til massive W-bosoner.

En forening af kræfter

Genereringen af ​​W-bosoner fra højenergifotoner eksemplificerer opdagelsen, der vandt Sheldon Glashow, Abdus Salam og Steven Weinberg 1979 Nobelprisen i fysik:Ved høje energier, elektromagnetisme og den svage kraft er en i det samme.

Elektricitet og magnetisme føles ofte som separate kræfter. Man bekymrer sig normalt ikke om at blive chokeret, mens man håndterer en køleskabsmagnet. Og pærer, selv når den lyser op med elektricitet, hold dig ikke til køleskabsdøren. Så hvorfor har elektriske stationer skilte, der advarer om deres høje magnetiske felter?

"En magnet er en manifestation af elektromagnetisme, og elektricitet er en anden, " siger Tricoli. "Men det er alle elektromagnetiske bølger, og vi ser denne forening i vores daglige teknologier, såsom mobiltelefoner, der kommunikerer gennem elektromagnetiske bølger."

Ved ekstremt høje energier, elektromagnetisme kombineres med endnu en grundlæggende kraft:den svage kraft. Den svage kraft styrer nukleare reaktioner, herunder fusionen af ​​brint til helium, der driver solen og henfaldet af radioaktive atomer.

Ligesom fotoner bærer den elektromagnetiske kraft, W- og Z-bosonerne bærer den svage kraft. Grunden til at fotoner kan kollidere og producere W-bosoner i LHC er, at ved de højeste energier, disse kræfter kombineres for at skabe den elektrosvage kraft.

"Både fotoner og W-bosoner er kraftbærere, og de bærer begge den elektrosvage kraft, "Griso siger." Dette fænomen sker virkelig, fordi naturen er kvantemekanisk. "