Klaar, stabiel, ga: de race om nieuwe fysica te ontdekken keert vandaag terug als de Large Hadron Collider (LHC) opnieuw ontbrandt en zware ionendeeltjes op elkaar afvuurt met 99,99% van de lichtsnelheid om een staat van oermaterie te creëren die we niet hebben sinds live te zien na de oerknal.
De Large Hadron Collider Het is ’s werelds langste en krachtigste deeltjesversneller en schiet stralen van subatomaire deeltjes rond een 27 kilometer lange ondergrondse ring nabij Genève, aan de Frans-Zwitserse grens. Sinds de LHC oorspronkelijk online kwam in 2010, hebben zijn experimenten 3000 wetenschappelijke artikelen opgeleverd, met een reeks resultaten, waaronder de meest bekende: de ontdekking van Higgs-deeltje.
“Het is echt waar dat we wekelijks ontdekkingen doen”, zei Chris Parks, woordvoerder van de LHCb-proef, eind juni op een persconferentie.
nieuwe technologie
De deeltjesversneller heeft de afgelopen drie en een half jaar biotechnologische upgrades ondergaan die hem in staat zullen stellen om bundels deeltjes te verpletteren met recordbrekende energie. 6,8 biljoen elektronvolt (TeV) in de botsingen die een ongekende 13,6 TeV zouden opleveren. Dat is 4,6% hoger dan waar ik in oktober 2018 was gebleven.
Het verhogen van de snelheid van deeltjesbotsingen, het verbeteren van het vermogen om meer gegevens te verzamelen dan ooit tevoren, en geheel nieuwe experimenten zullen de weg vrijmaken voor onderzoekers om wetenschap te bedrijven buiten het Higgs-deeltje, misschien zelfs voorbij de huidige. Standaard vorm Deeltjesfysica.
In 2020 wordt een nieuw apparaat, de Linear Accelerator (Linac) 4, geïnstalleerd bij de Large Hadron Collider. In plaats van protonen in het systeem te injecteren zoals voorheen, zal Linac 4 negatief geladen waterstofionen stimuleren, wat twee begeleide protonen zijn elektronen. Terwijl de ionen door Linac 4 bewegen, worden de elektronen weggestript om alleen de protonen over te laten, en de verstrengeling van deze ionen maakt de vorming van nauwere groepen protonen mogelijk. Dit resulteert in smallere bundels van protonen die door de botser worden afgevuurd, waardoor de snelheid van botsingen toeneemt.
(Opent in een nieuw tabblad)
Misschien wel de belangrijkste technologische update is echter het systeem dat experimenten start bij de LHC om te beginnen met het verzamelen van gegevens.
Omdat wetenschappelijk onderzoek zich nu in het tijdperk van big data bevindt, wordt het een nog groter probleem hoe te onderscheiden welke gegevens het waard zijn om te worden vastgelegd en geanalyseerd. “We hebben 14 miljoen lichttransitpunten per seconde”, zei Parks. Elke bundeldoorsnijding ziet bundels van deeltjes met elkaar in botsing komen.
Voorheen werd het uitzoeken van nuttige informatie uit al die botsingen overgelaten aan conventionele instrumenten en de intuïtie van menselijke onderzoekers, waardoor slechts 10% van de botsingen in de LHC werd geregistreerd. Het nieuwe besturingssysteem maakt gebruik van machine learning om een situatie sneller te analyseren en is efficiënter in het verzamelen van gegevens voor latere analyse. Met deze upgrade zal LHCb bijvoorbeeld de bemonsteringsfrequentie verdrievoudigen, terwijl het ALICE-instrument (Large Ion Collider Experiment) het aantal geregistreerde gebeurtenissen met een factor 50 zal verhogen.
“Dit is duidelijk een big deal”, zei ALICE-woordvoerder Luciano Musa op de persconferentie.
(Opent in een nieuw tabblad)
nieuwe ervaringen
Hoewel er nog werk aan de winkel is om meer te weten te komen over het Higgs-deeltje, is de LHC uitgerust om meer te doen dan dat.
“We hebben de ambitie om het Higgs-deeltje in een bredere context te plaatsen, en dat kan gewoon niet worden samengevat in een of twee vragen”, zei Gian Guedes, hoofd van de afdeling theoretische fysica van CERN, tijdens de persconferentie. “Dus we hebben een heel breed programma dat veel vragen in de deeltjesfysica behandelt.”
Twee nieuwe detectoren werden geïnstalleerd tijdens de recente stopzetting van de Large Hadron Collider, de FASER, het Advanced Search Experiment, en de SND, de verstrooiings- en neutrinodetector. FASER gaat op zoek naar lichte en zwak interagerende deeltjes, waaronder neutrino’s en mogelijk donkere materieterwijl SND zich uitsluitend zal richten op neutrino’s.
Neutrino’s zijn ongrijpbare spookachtige deeltjes die nauwelijks interactie hebben met iets anders om hen heen – een streep lood Lichtjaar Dik stopt slechts de helft van de neutrino’s die er doorheen gaan – triljoenen van hen passeren elke seconde onschadelijk door je lichaam. Gezien dit, en hoewel wetenschappers weten dat botsingen in de LHC regelmatig neutrino’s zouden moeten produceren, zijn er geen neutrino’s gedetecteerd die in de deeltjesversneller zijn gegenereerd (de neutrino’s die zijn waargenomen door eerdere neutrinodetectoren komen meestal van de zon). Dit zal echter veranderen, aangezien FASER en SND naar verwachting de komende vier jaar ongeveer 7.000 neutrino-gebeurtenissen tussen hen zullen detecteren.
Op het eerste gezicht lijken FASER en SND niet op neutrinodetectoren. Deze zijn meestal enorm, zoals de roestvrijstalen tank van het Super Kamiokande-reagens in Japan met 50.000 ton gezuiverd water, of IJsblokje Neutrino Observatorium Op Antarctica, waar sensoren zijn geplaatst in 0,6 kubieke mijl (één kubieke kilometer) ijs onder het oppervlak. In plaats daarvan is de FASER slechts 1,5 meter lang, terwijl de SND iets groter is met 2,4 meter (8 voet). In plaats van enorme hoeveelheden vloeistof of ijs, beschikt het over eenvoudige wolfraamdetectoren en emulsiefilms, vergelijkbaar met oude fotografische films.
FASER en SND kunnen ermee wegkomen dat ze te klein zijn omdat “de LHC veel neutrino’s produceert, dus je hebt minder massa in de detector nodig om sommige van hen te laten interageren, en de neutrino’s die bij LHC-botsingen worden geproduceerd, zijn erg hoog”, FASER-woordvoerder Jamie Boyd vertelde Space.com: De energie, de interactiekans stijgt met de energie.
FASER bevindt zich op 480 meter afstand Stroomafwaarts van de Atlas-ervaring, in de verlaten tunnels die ooit deel uitmaakten van de voorganger van de Large Hadron Collider, de Large Electron-Positron Collider. De FASER- en SND-experimenten zijn complementair – FASER is bundellijnruis, terwijl SND onder een hoek staat. Op deze manier zijn ze in staat om neutrino’s met verschillende energieën te detecteren die afkomstig zijn van verschillende deeltjesbotsingen. De meeste neutrino’s zullen door de twee experimenten onopgemerkt blijven, maar een klein aantal zal een interactie aangaan met atomen in de dichte wolfraamlagen, waardoor de neutrino’s vervallen en dochterdeeltjes produceren die sporen achterlaten in de emulsie, pieken genaamd, die de positie van de interactie aangeven. De emulsielaag wordt elke drie of vier maanden verwijderd en voor onderzoek naar een laboratorium in Japan gestuurd. Er is al een klein prototype ontdekt Neutrino kandidatenmaar het prototype was te klein om de metingen te bevestigen.
“Het belangrijkste resultaat waarnaar we op zoek zijn, is wat we de dwarsdoorsnede noemen,” zei Boyd. “Dit beschrijft hoe, als functie van hun energie, de drie soorten neutrino’s – elektronen, muonen en tau-neutrino’s – op elkaar inwerken.”
Deze verschillende soorten, of ‘smaken’, van neutrino’s kunnen met elkaar oscilleren terwijl ze over grote afstanden reizen. Een neutrino kan bijvoorbeeld beginnen als een muon-neutrino voordat het oscilleert in een elektronenneutrino. Bij de LHC is de afstand tussen de neutrinodetectoren en de bron van de botsingen bij de LHC zo klein dat er geen oscillaties te verwachten zijn tenzij er een nieuw deeltje bij betrokken is.
“Als we meer elektronenneutrino’s en minder muon-neutrino’s zien dan we verwachten, zou dit kunnen wijzen op de aanwezigheid van een extra type neutrino, genaamd steriele neutrinoDit zorgt ervoor dat deze oscillaties optreden, zei Boyd. “Voorlopig blijven steriele neutrino’s hypothetisch, en het vinden van bewijs daarvoor zou een enorme ontdekking zijn.
nieuwe theorieën
(Opent in een nieuw tabblad)
Over de ontdekkingen gesproken, terwijl de LHC is stilgelegd vanwege de laatste upgrade, heeft analyse van gegevens van de oude Tevatron-deeltjesversneller bij Fermilab in de VS die in 2011 werd stilgelegd, een verleidelijke hint onthuld van fysica die buiten het standaardmodel werkt. Tevatron vond met name bewijs dat het W-bosondeeltje, dat betrokken is bij het mediëren van de zwakke kracht die radioactiviteit regelt, groter zou kunnen zijn dan het standaardmodel voorspelt. Ondertussen waren er vreemde lezingen van de LHC en Tevatron van het gedrag van elektronen en muon Dit zou, indien waar, de voorspellingen van het standaardmodel kunnen betwisten. Het is nu aan de LHC om verder onderzoek te doen.
Wetenschappers van de LHC zijn echter niet klaar om conclusies te trekken over deze of enige andere inconsistentie van het standaardmodel. In plaats daarvan blijven ze liever neutraal als het gaat om verschillende theorieën over wat de LHC waarneemt, om vertekening van de resultaten te voorkomen.
“We jagen de theorie niet na”, zei CERN-directeur Fabiola Gianotti op de persconferentie. “Ik denk dat ons doel is om te begrijpen hoe de natuur werkt op het meest basale niveau. Ons doel is niet om naar bepaalde theorieën te zoeken.”
Chris Parks is optimistisch dat de LHC deze discrepanties op de een of andere manier kan doorgronden. “We verwachten heel erg dat we met de nieuwe gegevens die we verzamelen, deze interessante hints die we hebben echt kunnen controleren en zien of ze schendingen van het standaardmodel aantonen”, zei hij.
Er is geen haast. Na deze nieuwe vierjarige monitoring door de LHC, zal er nog een stop zijn van verdere upgrades die zullen leiden tot wat wordt aangeduid als de High Luminosity LHC. Dit werk begint rond 2029 en detecteert jaarlijks meer dan 15 miljoen Higgs-bosonen met botsingsenergieën van 14 terabyte. Buiten de LHC zijn er plannen voor een geheel nieuwe versneller bij CERN, de Future Circular Collider (FCC), die krachtig genoeg zal zijn om energieën van 100 TeV te bereiken wanneer hij rond 2040 begint te werken. De FCC zal veel groter zijn dan de LHC, met een 100 kilometer lange tunnel, heeft het concept onlangs echter tot controverse geleid, waarbij sommige natuurkundigen beweren dat het potentiële prijskaartje van $ 100 miljard de voordelen van de constructie niet waard zou zijn en dat het geld meer zou kunnen worden uitgegeven verstandig op kleinere, meer gerichte projecten.
Dat is alles voor de toekomst. Op dit moment moet de Large Hadron Collider nog steeds de Higgs-bosonen maken, neutrino’s ontdekken, nieuwe deeltjes vinden en theorieën om te testen. Over welke nieuwe ontdekkingen zullen we het over vier jaar hebben?
Volg Keith Cooper op Twitter @21stCenturySETI. Volg ons op Twitter Tweet insluiten (Opent in een nieuw tabblad) en verder Facebook (Opent in een nieuw tabblad).
“Social media fanaat. Fanatieke bacon fanaat. Wannabe popcultuur fan. Communicator. Gecertificeerd schrijver.”
More Stories
Robots versus dieren: wie wint de race in natuurlijke omgevingen?
NASA zoekt naar input over tekorten aan ruimtetechnologie
SpaceX lanceert 23 Starlink-satellieten op Falcon 9-vlucht vanuit Cape Canaveral – Spaceflight Now