Al decenia, deeltjesfysica is het domein van massieve botsers die deeltjes met hoge snelheden rondzweven en tegen elkaar botsen terwijl duizenden teams de resultaten observeren. Dit soort experimenten hebben geweldige inzichten opgeleverd in krachten en deeltjes waaruit de fysieke wereld bestaat.

Maar Stanford-natuurkundige Peter Graham pleit voor een heel andere benadering - een die sneller en goedkoper zou kunnen zijn dan enorme botsers, en die mogelijk voorheen ongrijpbare vormen van fysica, zoals donkere materie, kan detecteren.

Graham wees erop dat botsers tientallen miljarden dollars kosten en zo zelden voorkomen dat er tijdens zijn leven misschien maar één nieuwe botser wordt gebouwd. Zijn aanpak roept een tijd op waarin natuurkunde door een of twee mensen op een tafelblad kon worden uitgevoerd en in slechts een paar jaar resultaten zou opleveren.

"Het komt daar in zekere zin op terug, maar met behulp van zeer verschillende soorten technologieën en verschillende benaderingen, " zei Bram, die een assistent-professor natuurkunde is. "Het is een nieuwe richting voor het zoeken naar de meest elementaire natuurwetten."

Graham, die ook samenwerkt met de afdeling elementaire deeltjesfysica van het SLAC National Accelerator Laboratory, ontving onlangs een Breakthrough New Horizons in Physics Prize voor zijn nieuwe regie, waarvan hij hoopt dat meer mensen zich zullen aansluiten. Hij sprak met Stanford Report over waarom natuurkunde nieuwe soorten experimenten nodig heeft, wat donkere materie zou kunnen zijn en hoe hij het hoopt te detecteren.

Je hebt gezegd dat je experimenten nieuwe natuurkunde onderzoeken. Wat betekent dat?

Het standaardmodel van de deeltjesfysica is alles wat we hebben ontdekt. Het verklaart bijna elk experiment dat ooit op gigantische schalen is gedaan, van kernen tot sterrenstelsels. Er zijn maar een paar dingen die het niet verklaart, die we nieuwe fysica noemen. We weten dat er dingen zijn buiten wat we hebben gezien, zoals donkere materie, en nieuwe fundamentele wetten. Dat zijn de dingen die we proberen te ontdekken.

Donkere materie is een vorm van nieuwe fysica die je zou kunnen detecteren. Kun je uitleggen wat donkere materie is en waarom natuurkundigen geloven dat het bestaat?

aanvankelijk, mensen realiseerden zich dat er veel meer zwaartekracht op sterrenstelsels trekt dan ze konden verklaren. Of de wetten van de zwaartekracht waren verkeerd, wat mogelijk was, of er was iets anders dat we niet weten over het trekken aan de sterrenstelsels. Hoe dan ook, je kunt het niet uitleggen met wat we weten.

Er is nu veel bewijs dat ons begrip van zwaartekracht niet verkeerd is, en in plaats daarvan is er een nieuw soort dingen die natuurkundigen donkere materie hebben genoemd. Het was een belangrijk doel in de natuurkunde om donkere materie te begrijpen en met nieuwe soorten experimenten te komen om te proberen het te detecteren. Maar je moet wel raden wat het zou kunnen zijn als je het gaat vinden. Het is een universeel punt in de wetenschap dat je een idee moet hebben waar je naar zoekt om te weten hoe je ernaar moet zoeken.

Wat zijn enkele van de theorieën over wat donkere materie zou kunnen zijn?

Er is veel bewijs voor twee kandidaten, WIMP's en axions genoemd. Je kunt WIMP's [zwak interagerende massieve deeltjes] zoeken met meer traditionele technieken, zoals de gigantische botsers, en dat trok veel bekijks.

Er was slechts één experiment op zoek naar axionen en het keek slechts naar een deel van het mogelijke axionspectrum. Het was een angstaanjagend scenario dat axions de donkere materie zouden kunnen zijn en dat er misschien geen manier is om ze te detecteren. Axions zijn erg moeilijk te zoeken omdat ze niet veel interactie hebben met onze experimenten.

Donkere materie kan ook een gek nieuw soort deeltje zijn, of een combinatie van WIMP's en axions, of zelfs verzamelingen van zwarte gaten. Wij weten het niet.

Wat motiveerde je om na te denken over alternatieve manieren om nieuwe fysica te verkennen?

Een deel van de motivatie is dat de grote versnellers belangrijk zijn, maar ze worden ook duur om te bouwen. In aanvulling, we realiseren ons dat sommige nieuwe theorieën over donkere materie echt niet ontdekt konden worden bij botsers.

Het was mijn werk om technieken uit andere gebieden van de natuurkunde te gebruiken en deze te gebruiken in de deeltjesfysica. De Breakthrough Prize is erg leuk omdat het een stempel van goedkeuring geeft en ons echt zou kunnen helpen om deze nieuwe experimentele richting op gang te brengen.

Kun je me een voorbeeld geven van een type experiment dat je hebt ontworpen?

Mensen hadden nagedacht over één benadering om axion-donkere materie te detecteren en het deed goed werk voor hogere massa-axions, maar kon onmogelijk lagere massa axions zien. We bedachten een nieuwe techniek om axionen met een lage massa te detecteren. Het ging om het combineren van NMR [nucleaire magnetische resonantie], die vaak wordt gebruikt in medische toepassingen, en magnetometrie, dat is een zeer nauwkeurig instrument voor het meten van magnetische velden. We gebruiken NMR om het axionsignaal te versterken, zodat de magnetometer het kan oppikken.

We zijn al begonnen met het bouwen van dit experiment, en het kan binnen een paar jaar resultaten opleveren. Het is heel spannend omdat dit soort experimenten resultaten kunnen opleveren op korte tijdschalen.

Waarom is het belangrijk om deze nieuwe grenzen in de natuurkunde te verkennen?

De mensheid heeft altijd naar de sterren gekeken en zich afgevraagd waarom we hier zijn. Dit soort vragen, zoals de aard van donkere materie, vertel ons over de geboorte van het heelal, waarom het hele universum hier is.

Maar een deel ervan is voor mij ook dat ik een bijdrage wil leveren. Een voorbeeld van hoe basisfysica mensen helpt, kwam uit de kwantummechanica. Ik weet zeker dat ze destijds dachten dat het een pure fysica-oefening was en niets te maken had met de menselijke gezondheid. We zullen, we leerden kwantummechanica en nu hebben we MRI-machines en PET-scans. Ik zou zeggen dat dat een heel belangrijke les is. Mensen zijn creatief en we vinden manieren om nieuwe informatie te gebruiken.