De Large Hadron Collider speelt met de beroemde vergelijking van Albert Einstein, E =mc ² , om materie om te zetten in energie en vervolgens terug in verschillende vormen van materie. Maar in zeldzame gevallen, het kan de eerste stap overslaan en pure energie botsen - in de vorm van elektromagnetische golven.

Vorig jaar, het ATLAS-experiment bij de LHC nam twee fotonen waar, deeltjes van licht, elkaar afketsen en twee nieuwe fotonen produceren. Dit jaar, ze hebben dat onderzoek een stap verder gebracht en ontdekten dat fotonen samensmelten en transformeren in iets dat nog interessanter is:W-bosonen, deeltjes die de zwakke kracht dragen, die het nucleair verval regelt.

Dit onderzoek illustreert niet alleen het centrale concept dat processen in de LHC regelt:dat energie en materie twee kanten van dezelfde medaille zijn. Het bevestigt ook dat bij voldoende hoge energieën, krachten die in ons dagelijks leven gescheiden lijken - elektromagnetisme en de zwakke kracht - zijn verenigd.

Van massaloos naar massief

Als je dit experiment met fotonenbotsingen thuis probeert na te bootsen door de stralen van twee laserpointers te kruisen, u kunt geen nieuwe maken, massieve deeltjes. In plaats daarvan, je zult zien dat de twee bundels samen een nog helderdere lichtstraal vormen.

"Als je teruggaat en kijkt naar de vergelijkingen van Maxwell voor klassiek elektromagnetisme, je zult zien dat twee botsende golven samen een grotere golf vormen, " zegt Simone Pagan Griso, een onderzoeker bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy. "We zien deze twee fenomenen pas recentelijk waargenomen door ATLAS wanneer we Maxwells vergelijkingen met speciale relativiteit en kwantummechanica samenvoegen in de zogenaamde theorie van kwantumelektrodynamica."

In het acceleratorcomplex van CERN, protonen worden versneld tot bijna de lichtsnelheid. Hun normaal ronde vormen kronkelen langs de bewegingsrichting, aangezien de speciale relativiteitstheorie de klassieke bewegingswetten vervangt voor processen die plaatsvinden in de LHC. De twee binnenkomende protonen zien elkaar als samengeperste pannenkoeken die vergezeld gaan van een gelijk samengedrukt elektromagnetisch veld (protonen worden geladen, en alle geladen deeltjes hebben een elektromagnetisch veld). De energie van de LHC in combinatie met de lengtecontractie verhoogt de sterkte van de elektromagnetische velden van de protonen met een factor 7500.

Als twee protonen elkaar grazen, hun geplette elektromagnetische velden kruisen elkaar. Deze velden slaan de klassieke "versterkings"-etiquette over die van toepassing is bij lage energieën en volgen in plaats daarvan de regels die zijn geschetst door de kwantumelektrodynamica. Door deze nieuwe wetten de twee velden kunnen worden samengevoegd en de "E" worden in E=mc².

"Als je de vergelijking E=mc² van rechts naar links leest, je zult zien dat een kleine hoeveelheid massa een enorme hoeveelheid energie produceert vanwege de constante c², dat is de snelheid van het licht in het kwadraat, " zegt Alessandro Tricoli, een onderzoeker bij Brookhaven National Laboratory - het Amerikaanse hoofdkantoor voor het ATLAS-experiment, die financiering ontvangt van DOE's Office of Science. "Maar als je de formule andersom bekijkt, je zult zien dat je met een enorme hoeveelheid energie moet beginnen om zelfs maar een kleine hoeveelheid massa te produceren."

De LHC is een van de weinige plaatsen op aarde die energetische fotonen kan produceren en botsen, en het is de enige plek waar wetenschappers twee energetische fotonen hebben zien samensmelten en transformeren in massieve W-bosonen.

Een eenmaking van krachten

De generatie van W-bosonen uit hoogenergetische fotonen is een voorbeeld van de ontdekking die Sheldon Glashow won, Abdus Salam en Steven Weinberg de 1979 Nobelprijs voor natuurkunde:bij hoge energieën, elektromagnetisme en de zwakke kracht zijn één in hetzelfde.

Elektriciteit en magnetisme voelen vaak als gescheiden krachten. Normaal gesproken hoeft u zich geen zorgen te maken dat u een schok krijgt bij het hanteren van een koelkastmagneet. En gloeilampen, zelfs als het verlicht is met elektriciteit, plak niet aan de koelkastdeur. Dus waarom geven elektrische stations borden die waarschuwen voor hun hoge magnetische velden?

"Een magneet is een manifestatie van elektromagnetisme, en elektriciteit is een andere, "zegt Tricoli. "Maar het zijn allemaal elektromagnetische golven, en we zien deze eenwording in onze alledaagse technologieën, zoals mobiele telefoons die communiceren via elektromagnetische golven."

Bij extreem hoge energieën, elektromagnetisme combineert met nog een andere fundamentele kracht:de zwakke kracht. De zwakke kracht regelt kernreacties, inclusief de fusie van waterstof tot helium dat de zon aandrijft en het verval van radioactieve atomen.

Net zoals fotonen de elektromagnetische kracht dragen, de W- en Z-bosonen dragen de zwakke kracht. De reden dat fotonen kunnen botsen en W-bosonen kunnen produceren in de LHC, is dat bij de hoogste energieën, die krachten combineren om de elektrozwakke kracht te maken.

"Zowel fotonen als W-bosonen zijn krachtdragers, en ze dragen allebei de elektrozwakke kracht, ", zegt Griso. "Dit fenomeen gebeurt echt omdat de natuur kwantummechanisch is."