science >> Wetenschap > >> Fysica

Wat zien deeltjesfysici als er botsingen plaatsvinden?

Wat natuurkundigen zien als ze naar deeltjesbotsingen kijken, lijkt in wezen niet op deze reproductie. Hemera/ThinkStock

Weet je nog toen de Large Hadron Collider - die enorme deeltjesversnipperaar die diep onder de grond op het landelijke Zwitserse platteland ligt - voor het eerst in 2008 werd opgestart? Weet je nog hoe het ons hele universum vernietigde door een zwart gat te creëren dat ons heel verzwolg en ons rechtstreeks de apocalyps in slokte?

Of misschien herinner je je dat niet meer.

Misschien denk je aan die tijd dat de LHC begon in het kielzog van een non-stop hype over hoe het de planeet zou kunnen vernietigen. Maar dan, het begon, en je at een kalkoensandwich als lunch en kreeg die dag een parkeerkaart. De wereld, het leek, voortgezet.

Dus laten we één ding uit de weg ruimen voordat we in de opwindende wereld van deeltjesbotsingen duiken:net zoals die eerste dag van de eerste straal was voor de typische niet-fysicus, ze zijn niet zo spannend.

Nutsvoorzieningen, voordat je fauteuil-fysici en echte fysici in de war raken, laten we dat erkennen, natuurlijk, deeltjesbotsingen zijn opwindend op een fundamentele, universeel niveau. Deeltjesbotsingen zijn het natuurkundig equivalent van het universum grijpen en op zijn kop slaan, vragen of dit ding aan staat. Door deeltjesbotsingen te bestuderen, we kunnen niet alleen peilen wat er kan zijn gebeurd direct na de geboorte van ons universum, maar we kunnen beoordelen hoe primaire stukken materie functioneren en interageren.

Met andere woorden:het is een groot probleem.

En toch. Ondanks al het gepraat over accelereren en knallen, over protonen die met bijna de lichtsnelheid reizen, over botsingen die zo monumentaal zijn dat mensen dachten dat ze ons allemaal aan flarden zouden scheuren ... wat wetenschappers echt zien, lijkt niet op de laatste 30 vurige, destructieve minuten van je typische zomerkaskraker. Zelfs niet als je er rekening mee houdt dat er 600 miljoen botsingen per seconde plaatsvinden wanneer het ding aan staat [bron:CERN].

Het is niet alleen de anticlimax van al dat gebabbel over het einde van de wereld dat niet uitkomt. Het is dat wat natuurkundigen zien als protonen botsen blijkt te zijn ... gegevens.

Om eerlijk te zijn, het zijn heel veel gegevens. Hoewel het geweldig zou zijn als natuurkundigen naar een scherm zouden kijken waarop protonen uitbarsten als vuurwerk - verlicht met labels als "muon!" of "Higgs!" om zichzelf gemakkelijk te identificeren - het zijn in feite cijfers en grafische representaties die door de detectoren worden verzameld die natuurkundigen "laten zien" wat er gebeurt tijdens botsingen.

Natuurkundigen zijn op zoek naar veel verschillende stukjes gegevens bij het bestuderen van deeltjesbotsingen. Dat betekent dat er niet slechts één signaal is om naar te kijken – of zelfs maar één type detector om vanaf te meten. In plaats daarvan, ze vertrouwen op verschillende soorten detectoren om hen aanwijzingen te geven over wat ze waarnemen.

Eerst, ze kijken naar waar de deeltjes die bij de protonbotsing ontstaan, heen gaan. Een volgapparaat kan ze onmiddellijk een paar dingen laten weten, zoals de lading van het deeltje (positief buigt een kant op, negatief de andere) of het momentum van het deeltje (hoog momentum gaat in een rechte lijn, lage spiralen strak). Onthoud nu, ze kijken niet naar het eigenlijke spoor van een deeltje. In plaats daarvan, ze kijken naar de elektrische signalen die een computer heeft opgenomen, die kan worden grafisch weergegeven in een reproductie van het pad [bron:CERN].

Een volgapparaat pikt geen neutrale deeltjes op, dus ze worden in plaats daarvan geïdentificeerd in een calorimeter. Een calorimeter meet de energie wanneer deeltjes worden tegengehouden en geabsorbeerd. Je kunt natuurkundigen vrij specifieke dingen vertellen, aangezien een bepaald soort calorimeter elektronen en fotonen meet, terwijl een ander pleit voor protonen en pionen [bron:CERN]. Stralingsdetectie meet ook de snelheid van deeltjes. Natuurkundigen bestuderen al deze kleine identifiers om te bepalen wat er met deeltjes gebeurt tijdens en kort na een botsing.

Al deze hulpmiddelen en het bewijs dat ze verzamelen, zijn waar wetenschappers naar kijken om te bepalen wat er tijdens een botsing is gebeurd. Daarna, het is tijd om eventuele vreemde of significante resultaten die ze tegenkomen te onderzoeken. Een goed voorbeeld hiervan was de ontdekking van het Higgs-deeltje, een klein deeltje dat het heelal doordringt, massa aan deeltjes toevoegen. Natuurkundigen bestudeerden de datasets van de botsingen om te zien of het Higgs-veld een reservedeeltje (een Higgs-deeltje) zou afschieten als twee protonen tegen elkaar werden geslagen. Het idee leek op het kijken naar twee waterstromen die door een zandstrand kronkelen:elke stroom op zichzelf zou soepel door het zand kunnen stromen, maar als ze plotseling samen zouden crashen, een zandkorrel zou kunnen opschieten.

Die zandkorrel was geen flits op het scherm. In plaats daarvan, het waren zorgvuldig geplotte gegevens verzameld uit talloze botsingen. Deze cijfers waren tot op zekere hoogte, wiskundige kansen. Andere experimenten bepaalden waar we moesten kijken bij het vinden van het massa-equivalent (en dus het bestaan) van de Higgs [bron:Preuss].

Wetenschappers wisten ook dat als de Higgs bestond, het moest op een paar specifieke manieren werken (zoals hoe het in andere deeltjes uiteenviel). Dus toen ze een overdaad aan gebeurtenissen zagen die verder gingen dan wat op een dataplot was voorspeld, ze raakten opgewonden - en ze konden beginnen te beoordelen of het signaal dat ze in de gegevens zagen iets nieuws was [bron:CERN]. In het geval van de Higgs, het was.

Dus, nee - deeltjesfysici krijgen geen zwarte gaten of zelfs mini-big bangs te zien wanneer er botsingen plaatsvinden. Wat ze in plaats daarvan zien, is bewijs dat bepaalde deeltjes zijn weggeschoten tijdens de inslag, en gegevens die aangeven dat wat ze zagen deel uitmaakte van een groter voorspelbaar model - of als ze nog meer geluk hebben, een geheel nieuw ontdekkingspad.

Veel meer informatie

Notitie van de Auteur:Wat zien deeltjesfysici wanneer er botsingen plaatsvinden?

Hoewel het geweldig zou zijn om gewoon een geweldige "botsing" op het scherm te zien en dan een neongroen deeltje te zien verschijnen dat nog nooit eerder is gezien, reken niet uit hoe opwindend het in werkelijkheid moet zijn voor deeltjesfysici. Het krijgen van een hele hoop gegevens die op iets spectaculairs wijzen, moet opwindend zijn, op zichzelf, zelfs als het niet betekent dat er een deeltje naar je zwaait op het grote scherm.

bronnen:

"De veiligheid van de LHC." CERN. (15 juli, 2014) http://press.web.cern.ch/backgrounders/safety-lhc
Boyle, Alan. "De angst voor de dag des oordeels leidt tot een rechtszaak over de botser." NBC-nieuws. 28 maart 2008. (15 juli, 2014) http://www.nbcnews.com/id/23844529/#.U8W2qY1dVEd
Butterworth, Jon. "Zelfs de saaiste botsingen bij de Large Hadron Collider vertellen ons iets." De Wachter. 26 januari 2014. (15 juli, 2014) http://www.theguardian.com/science/life-and-physics/2014/jan/26/even-the-most-boring-collisions-at-the-large-hadron-collider-tell-us- iets-deze-tijd-over-kosmische-stralen
CERN. "LHC. De Gids." februari 2009. (15 juli, 2014) http://cds.cern.ch/record/1165534/files/CERN-Brochure-2009-003-Eng.pdf
Fermilab. "Hoe de ontdekking van deeltjesfysica werkt." Fermi Nationaal Versneller Laboratorium. 6 mei, 2014. (15 juli, 2014) http://www.fnal.gov/pub/science/particle-physics-101/how-works.html
Preuss, Paulus. "Begrijpen wat er aan de hand is met het Higgs-deeltje." Berkeley-lab. 28 juni 2012. (15 juli, 2014) http://newscenter.lbl.gov/2012/06/28/higgs-2012/
Het Berkeley-lab. "Het deeltjesavontuur." De deeltjesgegevensgroep. 2014. (15 juli, 2014) http://www.particleadventure.org/index.html