science >> Wetenschap >  >> Fysica

5 ontdekkingen gedaan door de Large Hadron Collider (tot nu toe)

Soms heeft de machine die is belast met het vergemakkelijken van baanbrekende ontdekkingen een beetje downtime nodig. Hier, een onderhoudsmedewerker inspecteert de LHC-tunnel op 19 november, 2013. Vladimir Simicek/isifa/Getty Images

Soms, het zijn de kleine dingen die je gek maken. Tegen het begin van de 20e eeuw, natuurkundigen leken het universum vrij goed te hebben dichtgenaaid, tussen de zwaartekracht van Newton en de elektromagnetische vergelijkingen van Maxwell. Er was slechts één knagend probleem:hoe radioactiviteit te verklaren. Het aanpakken ervan leidde tot een wetenschappelijke revolutie die de verbazingwekkende waarheid over kleine dingen onthulde:soms bevatten ze universums.

Deeltjesfysica en kwantummechanica, de wetenschappen van de echt kleine, bracht de natuurkunde nog twee fundamentele krachten en een menagerie van vreemde elementaire deeltjes, maar na de jaren zeventig bleef er weinig meer over dan het testen en verfijnen van de dominante theorie, de standaard model . Nog eens 30 jaar aan subatomaire vlekjes, voortgebracht door versnellers en versnellers, vulden de lege sleutels, toch bleven er veel vragen over:waarom hadden sommige deeltjes massa en andere niet? Kunnen we de vier fundamentele krachten verenigen of de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica op elkaar laten aansluiten?

Zou een van deze bungelende draden een nieuwe revolutie teweegbrengen? Om erachter te komen zou een grotere, krachtiger deeltjesversneller dan ooit tevoren, een 27 kilometer lange ring van supergeleidende magneten, kouder dan de ruimte, in staat om deeltjes met bijna de lichtsnelheid in een ultrahoog vacuüm tegen elkaar te slaan. Op 10 september 2008, deze $ 10 miljard Large Hadron Collider (LHC), de gezamenlijke inspanning van honderden wetenschappers en ingenieurs wereldwijd, sloot zich aan bij de campus van versnellers van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) en brak al snel records voor deeltjesbotsingen.

Laten we terugkijken op wat we tot nu toe hebben geleerd, te beginnen met de beroemdste ontdekking van allemaal.

Inhoud
  1. Het Higgs-boson
  2. Tetraquarks
  3. Ontbrekende supersymmetrie
  4. gecoördineerde beweging
  5. Tekenen van nieuwe natuurkunde toch ... of niet

5:Het Higgs-deeltje

Professor Peter Higgs bezoekt op 12 november de tentoonstelling 'Collider' van het London Science Museum, 2013. Denk dat het veilig is om te zeggen dat Higgs en zijn collega's de heisa van het Higgs-boson niet helemaal voorzagen. Peter Macdiarmid/Getty Images

In onze macrowereld we nemen aan dat alle deeltjes massa hebben, hoe klein ook. Maar in de microwereld elektrozwakke theorie , die de elektromagnetische en zwakke krachten verbindt tot één onderliggende kracht, voorspelt dat speciale deeltjes genaamd bemiddelaars zou helemaal geen massa moeten hebben; wat een probleem is, omdat sommigen dat doen.

Bemiddelaars zijn krachtdragers: Fotonen elektromagnetisme overbrengen, terwijl W- en Z-bosonen zwakke kracht dragen. Maar hoewel fotonen massaloos zijn, W- en Z-bosonen hebben een aanzienlijk gewicht, in de orde van 100 protonen per stuk [bron:CERN].

1964, natuurkundige Peter Higgs van de Universiteit van Edinburgh en het team van François Englert en Robert Brout van de Vrije Universiteit van Brussel stelden onafhankelijk een oplossing voor:een ongewoon veld dat massa transporteerde op basis van hoe sterk deeltjes ermee interageerden. Als dit Higgs-veld bestond, dan zou het een mediatordeeltje moeten hebben, een Higgs-deeltje . Maar er is een faciliteit als de LHC voor nodig om het te detecteren.

In 2013, natuurkundigen bevestigden dat ze een Higgs-deeltje hadden gevonden met een massa van ongeveer 126 giga-elektronvolt (GeV) - de totale massa van ongeveer 126 protonen (massa-energie-equivalentie laat natuurkundigen elektronenvolt gebruiken als een eenheid van massa) [bronnen :Das]. Verre van het sluiten van de boeken, dit opende hele nieuwe onderzoeksgebieden naar de stabiliteit van het heelal, waarom het zoveel meer materie lijkt te bevatten dan antimaterie, en de samenstelling en overvloed aan donkere materie [bronnen:Siegfried].

4:Tetraquarks

Het detecteert quarks! Wijlen theoretisch fysicus Nathan Isgur toont een model van een deel van een machine voor het observeren van het gedrag van quarks. Het prijskaartje (in 1981) was $ 83 miljoen. Ron Bull/Toronto Star via Getty Images

1964, twee onderzoekers die moeite hebben om iets te begrijpen hadronen -- subatomaire deeltjes beïnvloed door de sterke kracht -- kwamen individueel op het idee dat ze waren samengesteld uit een samenstellend deeltje met drie typen. George Zweig noemde ze azen; Murray Gell-Mann noemde ze quarks en noemde hun drie soorten, of smaken, als "omhoog, " "down" en "vreemd." Natuurkundigen zouden later drie andere quark-smaken identificeren:"charme, " "top en bodem."

Voor vele jaren, natuurkundigen verdeelden hadronen in twee categorieën op basis van de twee manieren waarop quarks ze maakten: baryonen (inclusief protonen en neutronen) waren samengesteld uit drie quarks, terwijl mesonen (zoals pionen en kaonen) werden gevormd door quark-antiquark-paren [bronnen:CERN; ODS]. Maar waren dit de enige mogelijke combinaties?

In 2003, onderzoekers in Japan vonden een vreemd deeltje, X(3872) , dat leek te zijn gemaakt van een charm-quark, een anticharm en ten minste twee andere quarks. Tijdens het onderzoeken van het mogelijke bestaan ​​van het deeltje, onderzoekers vonden Z(4430) , een schijnbaar vier-quarkdeeltje. De LHC heeft sindsdien bewijs gevonden voor verschillende van dergelijke deeltjes, die het gevestigde model voor quark-arrangementen breken - of in ieder geval aanzienlijk verbuigen. Zulke Z-deeltjes zijn vluchtig, maar kan een microseconde of zo gedijen na de oerknal [bronnen:O'Luanaigh; diep; Studiebeurs].

3:Ontbrekende supersymmetrie

Een werknemer staat onder de Compact Muon Solenoid (CMS), een detector voor algemene doeleinden bij de LHC. Sommige natuurkundigen hadden hoge verwachtingen dat de detector bewijs zou vinden om SUSY te versterken. Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images

Theoretici gevorderd supersymmetrie , bijgenaamd SUSY , om verschillende zeurende problemen op te lossen, bleef het standaardmodel onbeantwoord, zoals waarom sommige elementaire deeltjes massa hebben, hoe elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten ooit met elkaar verbonden zouden kunnen zijn en, mogelijk, waaruit donkere materie bestaat. Het vestigde ook een prikkelende relatie tussen de quarks en leptonen die er toe doen en de bosonen die hun interacties bemiddelen. Zoals de eerder genoemde baryonen, leptonen (zoals elektronen) behoren tot een groep subatomaire deeltjes genaamd fermionen die tegengestelde kwantumeigenschappen hebben voor bosonen. Nog, volgens SUSY, elk fermion heeft een bijbehorend boson, en vice versa, en elk deeltje kan transformeren in zijn tegenhanger [bronnen:CERN; Siegried].

Als het waar is, SUSY zou betekenen dat de twee typen elementaire deeltjes (fermionen en bosonen) slechts twee kanten van dezelfde medaille zijn; het zou bepaalde op hol geslagen oneindige hoeveelheden die in de wiskunde opduiken verwijderen door overeenkomstige deeltjes te laten opheffen; en het zou ruimte maken voor zwaartekracht -- een flagrante omissie in het standaardmodel -- omdat fermion-boson- en boson-fermion-conversies gepaard kunnen gaan met gravitonen , de lang getheoretiseerde zwaartekrachtdragers.

Natuurkundigen hoopten dat de LHC ofwel bewijs zou vinden om SUSY te ondersteunen of diepere problemen zou onthullen die zouden wijzen op nieuw theoretisch en experimenteel terrein. Tot dusver, geen van beide lijkt te zijn gebeurd, maar reken supersymmetrie nog niet af. SUSY bestaat in vele versies, elk gekoppeld aan bepaalde veronderstellingen; de LHC heeft slechts enkele van de meest elegante en waarschijnlijke variëteiten eruit gezeefd.

2:Gecoördineerde beweging

De soup du jour bij CERN is een stevig quark-gluon-plasma. Wavebreakmedia Ltd/Wavebreak Media/Thinkstock

Toen wetenschappers die LHC-instrumenten kalibreerden de gebruikelijke proton-protonbotsingen oversloegen en ervoor kozen om protonen in loden kernen te rammen, ze merkten een verrassend fenomeen op:de willekeurige paden die de resulterende subatomaire granaatscherven gewoonlijk namen, waren vervangen door een schijnbare coördinatie.

Een theorie die naar voren is gebracht om het fenomeen te verklaren, zegt dat de impact een exotische toestand van materie heeft gecreëerd, genaamd quark-gluonplasma (QGP) , die stroomde als vloeistof en gecoördineerde deeltjes produceerde terwijl het afkoelde. Zowel Brookhaven National Laboratories als de LHC hebben eerder QGP gecreëerd - de dichtste vorm van materie buiten een zwart gat - door zware ionen zoals lood en goud te laten botsen. Als QGP van een proton-loodbotsing mogelijk blijkt, het kan de ideeën van wetenschappers over de omstandigheden direct na de oerknal aanzienlijk beïnvloeden, toen QGP zijn korte hoogtijdagen beleefde. Er is slechts één probleem:de botsing had niet genoeg energie moeten hebben om de veronderstelde quarksoep te produceren [bronnen:CERN; Studiebeurs; Roland en Nguyen; Dan].

Hoewel de meeste natuurkundigen de voorkeur geven aan dit idee, ondanks de problemen, sommigen hebben gepleit voor een tweede verklaring met een theoretisch veld gecreëerd door gluonen , de deeltjes die sterke kracht overbrengen en quarks en antiquarks in protonen en neutronen plakken. De hypothese zegt dat gluonen die met bijna de lichtsnelheid voortsnellen, velden vormen die ervoor zorgen dat ze op elkaar inwerken. Indien correct, dit model zou waardevolle inzichten kunnen bieden in de protonstructuur en interactie [bronnen:Grant].

1:Tekenen van nieuwe natuurkunde toch ... of niet

Zeshonderd miljoen deeltjesbotsingen per seconde kunnen veel data genereren en, bijgevolg, analyse. Het is waarschijnlijk veilig om te zeggen dat LHC-gegevens nog veel meer verrassingen zullen opleveren. Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images

Hoe onlogisch het ook klinkt, veel natuurkundigen hoopten dat de LHC een paar gaten in het standaardmodel zou prikken. Het kader heeft problemen, ten slotte, en misschien zouden een paar wereldschokkende ontdekkingen supersymmetrie bevestigen, of op zijn minst wijzen in de richting van nieuwe wegen van onderzoek. Zoals we al zeiden, Hoewel, de LHC heeft de exotische natuurkunde herhaaldelijk klappen uitgedeeld, terwijl het standaardmodel bij elke beurt opnieuw werd bevestigd. Toegekend, de resultaten zijn niet allemaal binnen (er zijn ontzettend veel gegevens om te analyseren), en de LHC moet nog zijn volledige energie van 14 tera-elektron volt (TeV) bereiken. Hoe dan ook, de kans ziet er niet goed uit om het standaardmodel er slecht uit te laten zien.

Of misschien wel, of een rapport uit 2013 over B-mesonverval enige indicatie is. Het toont B-mesonen die vervallen in een K-meson (ook bekend als een kaon) en twee muonen (deeltjes vergelijkbaar met elektronen), die geen wenkbrauwen zou doen fronsen, behalve dat het verval een patroon volgde dat niet door het standaardmodel was voorspeld. Helaas, de studie valt momenteel onder de drempel voor dansen-in-onze-lab-jassen. Nog altijd, het is hoog genoeg om hoop te wekken, en analyse van aanvullende gegevens zou het van de rode zone naar de eindzone kunnen brengen. Als, het vreemde patroon van verval zou de eerste glimp kunnen bieden van de nieuwe fysica waar velen naar op zoek zijn [bronnen:Johnston; O'Neill].

Veel meer informatie

Notitie van de Auteur:5 ontdekkingen gedaan door de Large Hadron Collider

Na de voltooiing van de LHC, sommigen vroegen zich af wat het zou betekenen voor de natuurkunde als het Higgs-deeltje niet zou verschijnen. Het was niet alleen de belangrijkste raison d'être van de enorme atoomvernietiger; het was een soort spil voor het standaardmodel.

Nu is er een groter probleem, en het omvat de metingen van de kosmische achtergrondstraling die zijn uitgevoerd door de tweede generatie van de Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP2). Als de observaties van BICEP2 correct blijken te zijn, dan zou het Higgs-veld tijdens de oerknal energiek genoeg moeten zijn om een ​​onmiddellijke Big Crunch te veroorzaken. Met andere woorden, als beide ideeën waar zijn, dan zouden we hier niet moeten zijn om te discussiëren over waarom ze onmogelijk allebei waar kunnen zijn.

gerelateerde artikelen

  • Particle Fever:The Movie
  • 5 Verbijsterende subatomaire deeltjes
  • Bestaat het Higgs-deeltje?
  • Gevonden--De Top Quark
  • Hoe synchroniseert CERN tijdmeetinstrumenten?
  • Hoe de Large Hadron Collider werkt
  • Top 10 wetenschappelijke ontdekkingen van 2013
  • Wat is het Higgs-deeltje precies?

bronnen

  • CERN. "Supersymmetrie." (22 juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/physics/supersymmetry
  • CERN. "De oorsprong van het Brout-Englert-Higgs-mechanisme." (24 juli, 2014) http://home.web.cern.ch/topics/higgs-boson/origins-brout-englert-higgs-mechanism
  • CERN. "Het standaardmodel." (22 juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/physics/standard-model
  • CERN. "Zware Ionen en Quark-Gluon Plasma." (24 juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/physics/heavy-ions-and-quark-gluon-plasma
  • Das, Saswato. "Hoe het Higgs-deeltje onheil voor het heelal zou kunnen betekenen." Wetenschappelijke Amerikaan. 26 maart 2013. (24 juli, 2014) http://www.scientificamerican.com/article/how-the-higgs-boson-might-spell-doom-for-the-universe/
  • diep, Francie. "'Onbetwistbaar' bewijs van een nieuw Four-Quark-deeltje." Populaire wetenschap. 10 april 2014. (24 juli, 2014) http://www.popsci.com/article/science/indisputable-proof-new-four-quark-particle
  • Encyclopedie Britannica. "Standaardmodel." (22 juli, 2014) http://www.britannica.com/EBchecked/topic/562968/standard-model
  • Studiebeurs, Andreas. "Harde tijden voor theoretici in een post-Higgs-wereld." Wetenschap nieuws. 13 juni 2013. (22 juli, 2014) https://www.sciencenews.org/article/hard-times-theorists-post-higgs-world
  • Studiebeurs, Andreas. "Exotic Particle bevat een viertal quarks." Wetenschap nieuws. 11 april 2014. (15 juli, 2014) https://www.sciencenews.org/article/exotic-particle-packs-foursome-quarks
  • Studiebeurs, Andreas. "LHC ziet vreemd gedrag in superhete deeltjessoep." Wetenschap nieuws. 5 december 2012. (22 juli, 2014) https://www.sciencenews.org/article/lhc-sees-odd-behavior-superhot-particle-soup
  • Johnston, Hamish. "Heeft LHCb fysica voorbij het standaardmodel gespot?" Natuurkunde.org. 2 aug. 2013. http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/aug/02/has-lhcb-spotted-physics-beyond-the-standard-model
  • Nobelprijs. "De Nobelprijs voor Natuurkunde 2013." (22 juli, 2014) http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/
  • O'Luanaigh, Cian. "LHCb bevestigt het bestaan ​​van exotische hadronen." CERN. 9 april 2014. (30 juli, 2014) http://home.web.cern.ch/about/updates/2014/04/lhcb-confirms-existence-exotic-hadrons
  • O'Neill, jan. "Hints van nieuwe fysica gedetecteerd in de LHC?" Ontdekkingsnieuws. 2 aug. 2013. (22 juli, 2014) http://news.discovery.com/space/hints-of-new-physics-detected-in-the-lhc-130802.htm
  • Oxford Dictionary of Science. "Elementaire deeltjes" Isaacs, alan, John Daintith en Elizabeth Martin, red. Oxford Universiteit krant. 4e editie. 2003.
  • Roland, Christof en Matthew Nguyen. "Quark Matter 2014:Nieuws van CMS." CERN Koerier. 22 mei 2014. (22 juli 2014) http://cms.web.cern.ch/news/quark-matter-2014-news-cms
  • Siegfried, Tom. "Het is bijna tijd om het Higgs-deeltje beter te leren kennen." Wetenschap nieuws. 23 juni 2014. (15 juli, 2014) https://www.sciencenews.org/blog/context/its-almost-time-get-know-higgs-boson-better
  • Siegfried, Tom. "Het is te vroeg om supersymmetrie tot een tragedie te verklaren." Wetenschap nieuws. 17 oktober 2013. (22 juli, 2014) https://www.sciencenews.org/blog/context/it%E2%80%99s-too-soon-declare-supersymmetry-tragedy?mode=blog&context=117
  • Siegfried, Tom. "Higgs Massa is niet natuurlijk, maar misschien zou het niet zo moeten zijn." Wetenschapsnieuws. 23 juni 2014. (22 juli 2014) https://www.sciencenews.org/blog/context/higgs-mass-isnt-natural-maybe-it-shouldnt-be
  • Strassler, Mat. "Wat is een proton, hoe dan ook?" Blog van bijzondere betekenis. (5 aug. 2014) http://profmattstrassler.com/articles-and-posts/largehadroncolliderfaq/whats-a-proton-anyway/
  • Dan, Ker. "Dichtste materie gecreëerd in Big-Bang Machine." National Geographic-nieuws. 24 mei, 2011. (22 juli, 2014) http://news.nationalgeographic.com/news/2011/05/110524-densest-matter-created-lhc-alice-big-bang-space-science/

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Menselijke schedelgroei
  2. Waarom is UV-licht schadelijk?
  3. Farmacie Onderzoek Onderwerpen
  4. Als je asperges kunt ruiken in de urine,
  5. Waar bevinden lipiden zich in het lichaam?
  6. Zijn psychische aandoeningen genetisch bepaald?
  7. Biogeografie: definitie, theorie, bewijs & voorbeelden
  8. Mitochondria: definitie, structuur en functie (met diagram)
  9. Louis Pasteur: Biografie, uitvindingen, experimenten en feiten

Wetenschap