Velik hadronski trkalnik z 10. letom: zakaj je bolj pomembno kot kdajkoli

Deset let! Deset let od začetka delovanja velikega hadronskega trkalnika (LHC), enega najzahtevnejših strojev, ki so jih kdaj ustvarili. LHC je največji pospeševalnik delcev na svetu, zakopan 100 metrov pod francosko in švicarsko podeželje s 17 miljskimi obsegom.

10. septembra 2008 so protoni, središče vodikovega atoma, prvič krožili okoli pospeševalnika LHC. Vendar pa je bilo vznemirjenje kratkotrajno, ker se je 22. septembra zgodil incident, ki je poškodoval več kot 50 več kot 6.000 magnetov LHC - ki so ključnega pomena za zadrževanje protonov na njihovi krožni poti. Popravila so trajala več kot eno leto, marca 2010 pa je LHC začel trčiti protone. LHC je kronski dragulj CERN, evropskega laboratorija za fiziko delcev, ki je bil ustanovljen po drugi svetovni vojni kot način za ponovno združitev in obnovo znanosti v Evropi, ki jo je prizadela vojna. Danes tam izvajajo eksperimente s šestih kontinentov in 100 držav.

Morda se sprašujete, kaj LHC počne in zakaj je to velik posel. Velika vprašanja. LHC trči dva žarka protona skupaj pri najvišjih energijah, ki so bile dosežene v laboratoriju. Šest poskusov, ki so se nahajali okoli 17 miljskega obroča, preučujejo rezultate teh trkov z masivnimi detektorji, zgrajenimi v podzemnih kavernah. To je tisto, kar, toda zakaj? Cilj je razumeti naravo najosnovnejših gradnikov vesolja in kako medsebojno delujejo. To je temeljna znanost.

LHC ni razočaran.Eno od odkritij, ki jih je naredil LHC, vključuje dolgo iskan Higgsov bozon, ki so ga leta 1964 napovedali znanstveniki, ki so združevali teorije dveh temeljnih sil narave.

Delam na enem od šestih poskusov LHC - eksperimentu Compact Muon Solenoid, katerega namen je odkriti Higgsov bozon in iskanje znakov prej neznanih delcev ali sil. Moja ustanova, Florida State University, se je leta 1994 pridružila Compact Muon Solenoid sodelovanju, ko sem bila mlada podiplomska študentka na drugi šoli, ki je delala na drugačnem eksperimentu v drugem laboratoriju. Načrtovanje za LHC sega v leto 1984. LHC je bilo težko graditi in drago - 10 milijard evrov - in potrebovalo je 24 let za uresničitev. Zdaj praznujemo deset let odkar je LHC začel delovati.

Odkritja iz LHC

Najpomembnejše odkritje, ki ga je do sedaj prišlo iz LHC, je odkritje Higgsovega bozona 4. julija 2012. Objava je bila narejena v CERN-u in navdušila svetovno občinstvo. Pravzaprav sva z ženo gledala preko spletnega prenosa na velikem televizorju v dnevni sobi. Ker je bila objava ob 3:00 uri po Floridi, smo na IHOP šli na palačinke za praznovanje.

Higgsov bozon je bil zadnji preostali del tega, kar imenujemo standardni model fizike delcev. Ta teorija zajema vse znane temeljne delce - 17 od njih - in tri od štirih sil, s katerimi medsebojno delujejo, čeprav gravitacija še ni vključena. Standardni model je neverjetno dobro preizkušena teorija. Dva od šestih znanstvenikov, ki so razvili del standardnega modela, ki napoveduje Higgsov bozon, je leta 2013 prejel Nobelovo nagrado.

Pogosto me sprašujejo, zakaj nadaljujemo z eksperimenti in razbijamo protone, če smo že odkrili Higgsov bozon? Ali nismo naredili? No, še vedno je še veliko za razumevanje. Obstajajo številna vprašanja, na katera standardni model ne odgovarja. Na primer, študije galaksij in drugih velikih struktur v vesolju kažejo, da je tam zunaj veliko več zadeve, kot jo opazujemo. Temno zadevo imenujemo, ker je ne vidimo. Do sedaj najpogostejša razlaga je, da je temna snov narejena iz neznanega delca. Fiziki upajo, da bo LHC sposoben izdelati ta skrivnostni delček in ga preučiti. To bi bilo neverjetno odkritje.

Samo prejšnji teden sta ATLAS in Compact Muon Solenoid sodelovala pri prvem opazovanju razpadajočega ali razbijanja razpadajočega Higgsovega bozona v spodnje kvarkove. Higgsov bozon razpada na veliko različnih načinov - nekaj redkih, nekaj skupnih. Standardni model predvideva, kako pogosto se zgodi vsak tip propadanja. Za popolno preizkušanje modela moramo upoštevati vse napovedane razpade. Naše nedavno opazovanje je v skladu s standardnim modelom - še en uspeh.

Več vprašanj, več odgovorov

V vesolju je veliko drugih ugank in morda bomo potrebovali nove teorije fizike, da bi razložili takšne pojave - kot je asimetrija snovi / anti-snovi, da bi razložili, zakaj ima vesolje več zadeve kot anti-materija, ali problem hierarhije razumeti, zakaj gravitacija je toliko šibkejša kot druge sile.

Toda zame je iskanje novih, nepojasnjenih podatkov pomembno, ker vsakič, ko fiziki mislijo, da smo vse to ugotovili, narava ponuja presenečenje, ki vodi v globlje razumevanje našega sveta.

LHC še naprej testira standardni model fizike delcev. Znanstveniki ljubijo, ko teorija ustreza podatkom. Ampak ponavadi se naučimo več, ko jih ne. To pomeni, da ne razumemo popolnoma, kaj se dogaja. In to je za mnoge od nas prihodnji cilj LHC: odkriti dokaze o nečem, kar ne razumemo. Obstaja na tisoče teorij, ki napovedujejo novo fiziko, ki je nismo opazili. Kateri so prav? Potrebujemo odkritje, če se želimo naučiti, če je kaj pravilnega.

CERN namerava nadaljevati z delovanjem LHC dolgo časa. Načrtujemo nadgradnje pospeševalnika in detektorjev, da bodo lahko tekle do leta 2035. Ni jasno, kdo se bo najprej upokojil, jaz ali LHC. Pred desetimi leti smo pričakovali prve grede protonov. Zdaj smo zaposleni pri preučevanju bogastva podatkov in upamo na presenečenje, ki nas vodi po novi poti. V nadaljevanju se bomo veselili naslednjih 20 let.

Ta članek je bil prvotno objavljen na pogovoru Todd Adams. Preberite izvirni članek tukaj.