Enheden, der håber at besvare de ultimative eksistentielle spørgsmål

Det sidste stykke af en helt ny detektor har fuldført den første del af sin rejse mod at låse op for nogle af universets mest varige mysterier.

Vertex Locator (VELO) på 41 millioner pixel blev samlet på University of Liverpool. Den blev samlet af komponenter fremstillet på forskellige institutter, før den rejste til sit hjem ved Large Hadron Collider skønhedseksperimentet (LHCb) på CERN.

Når den er installeret i tide til dataoptagelse, vil den forsøge at besvare følgende spørgsmål:

• Hvorfor er universet lavet af stof, ikke antistof?
• Hvorfor findes det overhovedet?
• Hvad er der ellers derude?

En fin balance i rummets og tidens morgen

I øjeblikke umiddelbart efter Big Bang var universet fanget i en fin balance mellem stof og antistof.

Ud fra hvad vi forstår om naturlovene, burde disse former for stof have udslettet hinanden og efterladt et univers kun fyldt med lys. Alligevel fik stof mod alle odds på en eller anden måde fordelen, og der var noget tilbage til at danne det univers, vi kender i dag.

Vores bedste forståelse af Big Bangs fysik fortæller os, at stof og antistof blev skabt i lige store mængder. Da de fik kontakt i det (langt mindre og langt tættere) tidlige univers, burde hele deres samlede masse være blevet voldsomt omdannet til ren energi. Hvorfor og hvordan stoffet overlevede mødet er et af de mest dybe mysterier i moderne videnskab.

Den nuværende teori er, at selvom stof og antistof blev skabt som næsten perfekte spejlbilleder, må der have været en lille smule misbalance eller skamplet. Det betød, at nogle ikke var perfekte refleksioner. Denne forskel, hvor lille den end er, kunne have været nok til at give stoffet kanten.

Gennem skueglasset

Forskere har allerede fundet en lille revne i spejlet, kaldet charge-parity (CP) overtrædelse. Dette betyder, at stoffets symmetri og antistofrefleksion i nogle tilfælde bliver brudt.

Dette resulterer i en partikel, der ikke er den perfekte modsætning til sin tvilling, og denne "brudte symmetri" kan betyde, at den ene partikel kan have en fordel frem for den anden.

Når denne symmetri brydes, kan en antistofpartikel henfalde med en anden hastighed end dens stoflige modstykke. Hvis nok af disse krænkelser fandt sted efter Big Bang, kan det forklare, hvorfor stoffet overlevede.

Ved at opføre sig anderledes end deres antistof-ækvivalenter er det muligt, at stofpartikler med brudt symmetri tog lidt længere tid om at henfalde. Hvis dette fik stoffet til at sidde lidt længere, kunne det forklare, hvordan det var den sidste, der stod.

Det dybe ukendte

Hvorfor stof overlevede er ikke det eneste mysterium i universet. Der er et andet problem, der forvirrer videnskabsmænd:hvad kan mørkt stof være?

Mørkt stof er en undvigende, usynlig type stof, der leverer gravitationslimen for at holde stjerner i bevægelse rundt i galakser. Fordi vi endnu ikke ved, hvad mørkt stof er, kan det være, at der er andre, nye partikler og kræfter i universet, som vi endnu ikke har set.

At opdage noget nyt kan afsløre et radikalt andet billede af naturen end det, vi har. Nye partikler som disse kunne annoncere sig selv ved subtilt at ændre den måde, de partikler, vi kan se, opfører sig på, og efterlade små, men sporbare spor i vores data.

Skønheden og charmen ved VELO

Den nye VELO-detektor, som skal erstatte den gamle VELO-detektor, vil blive brugt til at undersøge de subtile forskelle mellem stof- og antistofversioner af partikler, der indeholder subatomære partikler. Disse er kendt som skønhedskvarker og charmekvarker.

Disse eksotiske kvarkholdige partikler, også kendt som B- og D-mesoner, produceres under kollisioner i Large Hadron Collider (LHC). De er svære at studere, fordi mesoner er meget ustabile og henfalder i løbet af en brøkdel af en brøkdel af et sekund.

Men når de forfalder, forvandles de faktisk til noget andet. Forskere mener, at ved at studere disse forskellige henfald og deres egenskaber, vil VELO-data hjælpe LHCb med at afsløre naturens grundlæggende kræfter og symmetrier.

Utrolig præcise målinger

Den nye VELO-detektor vil sidde så tæt som muligt på, hvor partiklerne kolliderer i LHCb-eksperimentet. Disse partikler henfalder på mindre end en milliontedel af en milliontedel af et sekund og bevæger sig kun et par millimeter. Derfor vil denne nærhed give enheden den bedst mulige chance for at måle deres egenskaber.

VELOs følsomhed og nærhed til LHC's stråler vil gøre det muligt for den at tage utroligt præcise målinger af partiklerne, når de henfalder.

Ved at sammenligne disse aflæsninger med forudsigelser lavet af standardmodellen (den vejledende teori for partikelfysik) kan forskere lede efter afvigelser, der kan antyde nye partikler i naturen. De kan også lede efter CP-overtrædelser eller andre årsager til, at stof og antistof opfører sig forskelligt.

Disse afvigelser kan revolutionere vores forståelse af, hvorfor universet er, hvad det er.

Bygger på arven fra det gamle

VELO kan være helt ny og banebrydende, men den vil bygge videre på arven fra den tidligere VELO-detektor. VELO har en avanceret pixeldetektor, der består af gitter af små firkanter af silicium, der giver høj opløsning selv i det udfordrende strålingsmiljø nær LHC-strålerne.

Dens forgænger, med sine linjer af stablede siliciumdetektorer, hjalp LHCb med at gøre opdagelser, herunder:

• Nye materietilstande.
• Utrolig sjælden skønhedskvark henfalder.
• Forskelle mellem materie- og antistof-charmkvarker.
• Den første spændende indikation på endnu uforklarlig adfærd i skønhedskvarkens henfald.

Glimt af partikeladfærd

Den britiske VELO-projektleder professor Themis Bowcock fra University of Liverpool sagde:"Dataene, der er fanget af den gamle VELO-detektor, har givet os virkelig fristende glimt af partikeladfærd. For at gøre fremskridt er vi nødt til at gøre dette til en virkelig grundig retsmedicinsk undersøgelse, og det er her, den nye VELO-detektor kommer ind i billedet. Den giver os det præcise sæt øjne, vi skal bruge for at observere partikler på det detaljeringsniveau, vi har brug for. VELO gør ganske enkelt hele vores fysikprogram muligt på LHCb."

Utilhørte detaljer

Nye VELO vil være i stand til at fange disse henfald i hidtil usete detaljer.

Kombiner dette med opgraderet software og superhurtig udlæsningselektronik, der gør det muligt at lokalisere skønheds- og charmekvarker i realtid. Forskere vil have en enhed, der giver dem mulighed for at spore og analysere henfald, der tidligere var for svære at rekonstruere.

Det, der også gør den nye VELO-detektor unik, er, at forskerne kan løfte den af ​​vejen, mens de forbereder partikelstrålerne til kollisioner. Derefter kan de flytte det mekanisk på plads, når LHCb er klar til at indsamle data.

Dette giver forskerne mulighed for at fange klar information fra de første partikler, der udstråler fra kollisionerne uden unødvendigt slid fra strålen. + Udforsk yderligere

Subatomær partikel set ændre sig til antipartikel og tilbage