5 Entdeckungen des Large Hadron Collider (bisher)

Manchmal sind es die kleinen Dinge, die einen verrückt machen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts schienen die Physiker das Universum ziemlich gut vernäht zu haben, zwischen der Newtonschen Gravitation und den elektromagnetischen Gleichungen von Maxwell. Es gab nur ein quälendes Problem: wie man Radioaktivität erklärt. Die Auseinandersetzung damit löste eine wissenschaftliche Revolution aus, die die erstaunliche Wahrheit über kleine Dinge enthüllte: Manchmal enthalten sie Universen.

Teilchenphysik und Quantenmechanik, die Wissenschaften der wirklich Winzigen, brachten der Physik zwei weitere fundamentale Kräfte und eine Menagerie seltsamer Elementarteilchen, aber nach den 1970er Jahren blieb wenig übrig, als die vorherrschende Theorie, das Standardmodell , zu testen und zu verfeinern . Weitere 30 Jahre voller subatomarer Flecken, die von Beschleunigern und Kollidern am laufenden Band produziert wurden, füllten Schlüsselrohlinge, doch es blieben viele Fragen offen: Warum hatten einige Teilchen eine Masse, während andere keine hatten? Könnten wir die vier fundamentalen Kräfte vereinen oder die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik miteinander auskommen lassen?

Würde einer dieser baumelnden Fäden eine weitere Revolution auslösen? Um dies herauszufinden, wäre ein größerer, leistungsstärkerer Teilchenbeschleuniger als je zuvor erforderlich, ein 27 Kilometer langer Ring aus supraleitenden Magneten, der kälter als der Weltraum ist und in der Lage ist, Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit in einem Ultrahochvakuum zusammenzuschlagen. Am 10. September 2008 trat dieser 10 Milliarden US-Dollar teure Large Hadron Collider (LHC ), das Gemeinschaftswerk von Hunderten von Wissenschaftlern und Ingenieuren weltweit, dem Beschleunigercampus der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) bei und brach bald Teilchenkollisionsrekorde.

Lassen Sie uns auf das zurückblicken, was wir bisher gelernt haben, beginnend mit der berühmtesten Entdeckung von allen.

1. Das Higgs-Boson
2. Tetraquarks
3. Fehlende Supersymmetrie
4. Koordinierte Bewegung
5. Immerhin Anzeichen einer neuen Physik ... oder nicht

In unserer Makrowelt gehen wir davon aus, dass alle Teilchen Masse haben, wie klein sie auch sein mögen. Aber in der Mikrowelt sagt die elektroschwache Theorie , die die elektromagnetischen und schwachen Kräfte zu einer zugrunde liegenden Kraft verbindet, voraus, dass spezielle Teilchen, die Mediatoren genannt werden, überhaupt keine Masse haben sollten; Das ist ein Problem, weil einige von ihnen dies tun.

Mediatoren sind Kraftträger: Photonen übertragen Elektromagnetismus, während W- und Z-Bosonen schwache Kräfte übertragen. Aber während Photonen masselos sind, haben W- und Z-Bosonen ein beträchtliches Gewicht, in der Größenordnung von 100 Protonen pro Stück [Quelle: CERN ].

1964 schlugen der Physiker Peter Higgs von der Universität Edinburgh und das Team von François Englert und Robert Brout von der Freien Universität Brüssel unabhängig voneinander eine Lösung vor: ein ungewöhnliches Feld, das Masse basierend auf der Stärke der Wechselwirkung von Teilchen transportierte. Wenn dieses Higgs-Feld existierte, dann müsste es ein Mittlerteilchen, ein Higgs-Boson , enthalten . Aber es würde eine Einrichtung wie den LHC brauchen, um es zu entdecken.

Im Jahr 2013 bestätigten Physiker, dass sie ein Higgs-Boson mit einer Masse von etwa 126 Gigaelektronenvolt (GeV) gefunden hatten – die Gesamtmasse von etwa 126 Protonen (Masse-Energie-Äquivalenz lässt Physiker Elektronenvolt als Masseneinheit verwenden ) [Quellen: Das ]. Weit davon entfernt, die Bücher zu schließen, eröffnete dies ganz neue Forschungsgebiete über die Stabilität des Universums, warum es so viel mehr Materie als Antimaterie zu enthalten scheint, und die Zusammensetzung und Häufigkeit dunkler Materie [Quellen: Siegfried].

1964 kamen zwei Forscher, die darum kämpften, Hadronen – subatomaren Teilchen, die von der starken Kraft beeinflusst werden – einen Sinn zu geben, individuell auf die Idee, dass sie aus einem konstituierenden Teilchen mit drei Arten bestehen. George Zweig nannte sie Asse; Murray Gell-Mann nannte sie Quarks und bezeichnete ihre drei Arten oder Geschmacksrichtungen als „up“, „down“ und „ seltsam “. Physiker identifizierten später drei weitere Quark-Geschmacksrichtungen: „Charm“, „Top“ und „Bottom“.

Viele Jahre lang haben Physiker Hadronen in zwei Kategorien eingeteilt, basierend auf den zwei Arten, wie Quarks sie hergestellt haben: Baryonen (einschließlich Protonen und Neutronen) wurden aus drei Quarks zusammengesetzt, während Mesonen (wie Pionen und Kaonen) aus Quark-Antiquark-Paaren gebildet wurden [ Quellen: CERN ; ODS]. Aber waren das die einzig möglichen Kombinationen?

Im Jahr 2003 fanden Forscher in Japan ein seltsames Teilchen, X(3872) , das aus einem Charm-Quark, einem Anticharm und mindestens zwei weiteren Quarks zu bestehen schien. Bei der Untersuchung der möglichen Existenz des Teilchens fanden die Forscher Z(4430) , ein scheinbares Vier-Quark-Teilchen. Der LHC hat seitdem Beweise für mehrere solcher Teilchen entdeckt, die das etablierte Modell für Quark-Anordnungen brechen – oder zumindest erheblich verbiegen. Solche Z-Teilchen sind flüchtig, könnten aber nach dem Urknall etwa eine Mikrosekunde lang gediehen sein [Quellen: O'Luanaigh ; Diep ; Gewährung ].

Theoretiker entwickelten die Supersymmetrie mit dem Spitznamen SUSY , um mehrere nagende Fragen zu lösen, die das Standardmodell unbeantwortet ließ, wie zum Beispiel, warum einige Elementarteilchen eine Masse haben, wie Elektromagnetismus und die starken und schwachen Kernkräfte einst miteinander verbunden waren und möglicherweise, was Dunkle Materie ist gemacht aus. Es stellte auch eine verlockende Beziehung zwischen den Quarks und Leptonen her, aus denen Materie besteht, und den Bosonen , die ihre Wechselwirkungen vermitteln. Wie die zuvor erwähnten Baryonen gehören Leptonen (wie Elektronen) zu einer Gruppe subatomarer Teilchen, die Fermionen genannt werdendie entgegengesetzte Quanteneigenschaften zu Bosonen haben. Doch laut SUSY hat jedes Fermion ein entsprechendes Boson und umgekehrt, und jedes Teilchen kann sich in sein Gegenstück verwandeln [Quellen: CERN ; Siegfried].

Wenn dies zutrifft, würde SUSY bedeuten, dass die beiden Elementarteilchentypen (Fermionen und Bosonen) lediglich zwei Seiten derselben Medaille sind; es würde bestimmte unkontrollierte unendliche Mengen entfernen, die in der Mathematik auftauchen, indem es entsprechende Teilchen auslöschen lässt; und es würde Platz für die Schwerkraft schaffen – eine eklatante Auslassung im Standardmodell – weil Fermion-Boson- und Boson-Fermion-Umwandlungen Gravitonen beinhalten könnten , die seit langem theoretisierten Schwerkraftträger.

Die Physiker hofften, dass der LHC entweder Beweise für SUSY finden oder tiefere Probleme aufdecken würde, die auf neues theoretisches und experimentelles Gebiet hinweisen würden. Bisher scheint beides nicht passiert zu sein, aber zählen Sie die Supersymmetrie noch nicht aus. SUSY existiert in vielen Versionen, die jeweils mit bestimmten Annahmen verbunden sind; der LHC hat lediglich einige der elegantesten und wahrscheinlichsten Sorten herausgesiebt.

Als Wissenschaftler, die LHC-Instrumente kalibrierten, die üblichen Proton-Proton-Kollisionen übersprangen und sich stattdessen dafür entschieden, Protonen in Bleikerne zu rammen, bemerkten sie ein überraschendes Phänomen: Die zufälligen Wege, die die resultierenden subatomaren Splitter normalerweise nahmen, waren durch eine scheinbare Koordination ersetzt worden.

Eine zur Erklärung des Phänomens vorgebrachte Theorie besagt, dass der Aufprall einen exotischen Materiezustand namens Quark-Gluon-Plasma (QGP) erzeugte, der wie Flüssigkeit floss und beim Abkühlen koordinierte Teilchen erzeugte. Sowohl die Brookhaven National Laboratories als auch der LHC haben zuvor QGP – die dichteste Form von Materie außerhalb eines Schwarzen Lochs – durch Kollision schwerer Ionen wie Blei und Gold erzeugt . Wenn sich QGP aus einer Protonen-Blei-Kollision als möglich erweist, könnte dies die Vorstellungen davon, wie Wissenschaftler die Bedingungen unmittelbar nach dem Urknall sehen, als QGP seine kurze Blütezeit hatte, erheblich beeinflussen. Es gibt nur ein Problem: Die Kollision hätte nicht genug Energie haben dürfen, um die hypothetische Quarksuppe am laufenden Band zu produzieren [Quellen: CERN ; Gewähren ;Roland und Nguyen ; Als ].

Obwohl die meisten Physiker diese Idee trotz ihrer Probleme bevorzugen, haben einige für eine zweite Erklärung plädiert, die ein theoretisches Feld beinhaltet, das von Gluonen erzeugt wird , den Teilchen, die starke Kräfte vermitteln und Quarks und Antiquarks in Protonen und Neutronen einfügen. Die Hypothese besagt, dass Gluonen, die mit nahezu Lichtgeschwindigkeit dahinsausen, Felder bilden, die sie zur Wechselwirkung veranlassen. Wenn es richtig ist, könnte dieses Modell wertvolle Einblicke in die Struktur und Wechselwirkung von Protonen liefern [Quellen: Grant ].

So unlogisch es klingen mag, viele Physiker hofften, dass der LHC ein paar Löcher in das Standardmodell bohren würde. Das Framework hat schließlich Probleme, und vielleicht würden ein oder zwei weltbewegende Entdeckungen die Supersymmetrie bestätigen oder zumindest neue Forschungswege aufzeigen. Wie wir bereits erwähnt haben, hat der LHC der exotischen Physik wiederholt Schläge versetzt, während er das Standardmodell auf Schritt und Tritt bestätigt. Zugegeben, die Ergebnisse sind noch nicht vollständig (es gibt eine Menge Daten zu analysieren), und der LHC muss noch seine volle Energie von 14 Tera-Elektronenvolt (TeV) erreichen. Trotzdem stehen die Chancen nicht gut, das Standardmodell schlecht aussehen zu lassen.

Oder vielleicht doch, wenn ein Bericht aus dem Jahr 2013 über den Zerfall von B-Mesonen irgendein Hinweis darauf ist. Es zeigt B-Mesonen, die in ein K-Meson (auch bekannt als Kaon) und zwei Myonen (elektronenähnliche Teilchen) zerfallen, was keine Augenbrauen hochziehen würde , außer dass der Zerfall einem Muster folgte, das vom Standardmodell nicht vorhergesagt wurde. Leider unterschreitet die Studie derzeit die Schwelle zum Tanzen im Laborkittel. Dennoch ist es hoch genug, um Hoffnungen zu wecken, und die Analyse zusätzlicher Daten könnte es von der roten Zone in die Endzone bringen. Wenn dem so ist, könnte das seltsame Zerfallsmuster den ersten Einblick in die neue Physik bieten, nach der so viele suchen [Quellen: Johnston ; O’Neill ].

Anmerkung des Autors: 5 Entdeckungen des Large Hadron Collider

Nach der Fertigstellung des LHC fragten sich einige, was es für die Physik bedeuten würde, wenn das Higgs-Boson nicht auftauchte. Es war nicht nur die primäre Daseinsberechtigung des massiven Atomzertrümmerers; es war eine Art Dreh- und Angelpunkt für das Standardmodell.

Jetzt gibt es ein größeres Problem, und es betrifft die Messungen der kosmischen Hintergrundstrahlung, die von der zweiten Generation des Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarisation (BICEP2) durchgeführt wurden. Wenn sich die Beobachtungen von BICEP2 als richtig erweisen, sollte das Higgs-Feld während des Urknalls energisch genug gewesen sein, um einen sofortigen Big Crunch auszulösen. Mit anderen Worten, wenn beide Ideen wahr sind, dann sollten wir nicht hier sein, um darüber zu streiten, warum sie möglicherweise nicht beide wahr sein können.

Zum Thema passende Artikel