Die weltweit größte Physikexperiment Is About to Reboot

Der Large Hadron Collider (LHC) ist, dass die dreistesten Physik in der menschlichen Geschichte experimentieren. Jetzt sind Wissenschaftler dabei, die riesigen Teilchenbeschleuniger für eine neue Reihe von Experimenten zu starten. Letzte Mal, sie haben das fast unmögliche und fanden das Higgs-Boson. Diesmal, vielleicht finden sie etwas noch spannender.

Im Jahr 2008 nur neun Tage in seiner ersten zurücklaufen von Experimenten, gab es ein bedeutender Vorfall am Large Hadron Collider. Eine fehlerhafte elektrische Verbindung zwischen zwei Magneten gestoppt supraleitenden, dann geschmolzen und schwere mechanische Schäden an der Anlage. Der Unfall verzögert Verwendung des LHC für ganze sechs Monate wie Reparaturen und Tests durchgeführt wurde, aber es bedeutete auch, dass die Anlage für drei Jahre mit viel geringere Kapazität als geplant lief.

Klar verkraftet der Collider. Am 4. Juli 2012, Wissenschaftler aus zwei Experimente am LHC – CMS und ATLAS – kündigte an, dass sie eine neue Boson entdeckt hatten. Es war das Higgs-Boson; die unsichtbaren Teilchen, das gibt alles mass und im Gegenzug hält das Universum zusammen. Die Erkenntnis war wohl die größte wissenschaftliche Erkenntnis des Jahrzehnts, vielleicht sogar noch mehr.

Aber die ganze Zeit lief es unter pari. Der LHC Herunterfahren für Wartung im Jahr 2013, und in den letzten zwei Jahren Ingenieure haben aufgepeppt es. Sie habe die supraleitenden Verbindungen zwischen einer Reihe von Magneten auf das Gaspedal, Hinzufügen von zusätzliche Shunts und stärkeren Magneten verbessert. Die Shunts bieten eine Route durch die Strömung kann entkommen, wenn High-Power-Unfälle – wie derjenige, der die Pause im Jahr 2008 verursacht — geschehen wiederum bedeutet, dass es ist sicherer, auf höhere Energieniveaus zu laufen.

Nur 27.000 Shunts um 16,7-Meile Umfang Gas später, ist der LHC wieder im Geschäft. Und stärker als je zuvor.

Absolute Macht

Wenn der LHC im Jahr 2013 geschlossen, seine höchste Energie-Experimente durchgeführt mit 8 Teraelectron Volt (TeV). Wissenschaftler am LHC werden bald in der Lage, das Gaspedal, um eine noch nie da gewesenen 13TeV Ratsche. Für die meisten von uns das ist eine ziemlich unverständlich Einheit der Energie, haben jedoch so LHC Wissenschaftler eine nette Analogie, denjenigen ohne Grad in der Teilchenphysik vorbereitet. Neu renovierte LHC kann Träger von Partikeln erstellen, die Energie, um eine Tonne Kupfer beim Aufprall schmelzen zu tragen. Das ist... beeindruckend.

"Die höhere Energie bedeutet mehr Chancen auf Suche nach neuen Entdeckungen", erklärt Alan Barr, Professor of Particle Physics an der University of Oxford, der an das ATLAS-Experiment am Large Hadron Collider arbeitet. "Der LHC höhere Energie kann uns Empfindlichkeit, neue, noch unentdeckte Teilchen geben."

Einstein die berühmte Gleichung E = Mc², erklärt, dass diese Energie und Masse im großen und ganzen gleichwertig sind, also in der Praxis zusätzlicher Energie die Wissenschaftler erlaubt um schwereren Teilchen als zuvor zu finden. "In die Masse des schwereren Teilchen, die sofort wieder in die Partikel mit denen wir vertraut sind zerfallen, ist die kinetische Energie der zusammenstoßenden Teilchen umgewandelt", erklärt James Hirschauer von der Fermi National Accelerator Laboratory, der Experimente am LHC arbeitet. "Wir hoffen, dass wir schwerere Teilchen erzeugt, die bisher unbekannt sind – genau wie wir produziert und in 2012 das Higgs-Boson entdeckt. Die Energie-Sprung ist wünschenswert, weil, wenn ein neues schweres Teilchen vorhanden ist, die Rate der Produktion dieses Teilchens bei höheren Energien der Kollision höher sein wird." In einer e-Mail gab Hirschauer mir ein großartiges Beispiel dafür, warum die Erhöhung der Partikelherstellung so wichtig ist:

"Wir wissen jetzt, dass wir Higgs-Bosonen am Fermilab Tevatron (Kollision Energie des 1.96TeV) produziert wurden. Aber gab es relativ wenige Higgs-Bosonen, und sie wurden durch die enorme "Hintergrund" von nicht-Higgs-Kollisionen am Tevatron, versteckt, so dass wir nicht das Higgs-Signal aus dem Hintergrund in unseren Analysen der Tevatron Daten trennen konnte. Allerdings war jede Kollision an der höheren Energie des LHC 8TeV, etwa 30-Mal wahrscheinlicher, ein Higgs-Boson als bei den 2TeV Tevatron produzieren. So haben wir in einer bestimmten Anzahl von Kollisionen, etwa 30 Mal mehr Higgs-Bosonen am LHC als bei dem Tevatron produziert. [I] n Fall du fragst: die Leute fragen oft, nicht die * Hintergrund * Produktionsrate auch mit zunehmender Aufprallenergie erhöhen? In der Tat die Hintergrund-Rate erhöht, aber nicht so viel wie die Produktionsrate für eine hohe Masse Partikel, so dass wir immer noch durch den Umstieg auf höheren Aufprallenergie zu gewinnen."

Leider ist es nicht einfach einen Schalter am LHC und Beschwörung von 13TeV auf Anfrage möglich. Stattdessen erfordert das Gaspedal $ 6 Milliarden eine allmähliche Aufwärmen, bevor sie Spitzenleistung erreicht. Letzte Woche schickte CERN Forscher die erste Test-Partikel durch das Gaspedal. Langsam, in den kommenden Wochen senden sie Zeit Überprüfung der Ausrichtung der Balken und das Gaspedal Fähigkeit damit umgehen mehr und mehr, und jeder. CERN Generaldirektor Rolf-Dieter Heuer, hat gesagt, dass der LHC in den nächsten zwei Wochen mit der ersten richtigen Protonenstrahlen geladen wird. Das Gaspedal sollte schrittweise bis hin zu höheren Energien, mit den daraus resultierenden Kollisionen Rampe – die wird werden die energiereichste jemals von Menschenhand geschaffen – folgen in der Nähe von Ende Mai.

Dunkle Geheimnisse

Die Ergebnisse scheinen nicht zunächst das Warten lohnt sich. Wenn die neue hochenergetischen Kollisionen beginnen, sehen wir zunächst mehr vom gleichen. Immerhin gelungen, das Higgs bei 8 TeV also, Einblick, wie Hirschauers Argumentation erzählt, in erster Linie werden wir noch sehen, noch mehr von ihnen bei diesen höheren Energien. Das wäre nicht allzu aufregend, aber es hilft uns zu verstehen das relativ neue Teilchen genauer gesagt, ermöglicht eine genauere Messungen seiner Eigenschaften.

Aber es wird wahrscheinlich mehr. "Eine Sache, die wir denken, dass wir entdecken vielleicht supersymmetrischen Teilchen", erklärt Hirschauer. Super symmetrische Teilchen sind die theoretischen Partner der einzelnen Partikel durch das Standardmodell erklärt — die Elementarteilchen, die wir kennen, wie Quarks, Leptonen und Bosonen. Während das Standardmodell eine wunderbare Arbeit erklären Teilchenphysiker tut, zugeben Wissenschaftler, dass es unvollständig ist.

Bare Münze genommen, das Standard-Modell sagt voraus, dass alle Partikel Null Masse haben sollte – aber das stimmt nicht mit direkten menschlichen Beobachtung der Welt um uns herum. Während das Higgs-Boson irgendwie geht zu erklären, warum andere Teilchen eine Masse haben, bleibt es ein Rätsel, warum es selbst hat auch keine Masse. Ein zusätzlicher Satz von supersymmetrischen Teilchen, die ähnliche Eigenschaften zu Verhalten, aber unterschiedliche Massen, Physiker vermuten lassen, könnte aufheben Beiträge zur Higgs-Masse aus ihrer Standard-Modell-Partner – Ermöglichung eines masselosen Higgs-Boson. Wiederum würde, die es ermöglichen, mathematisch verknüpfen das Standardmodell drei Kräfte – Elektromagnetismus und der starken und schwachen Kernkräfte – und einzigen vereinheitlichten Theorie zu erklären, das Universum zu schaffen. Eine Theorie von allem.

"Für bestimmte supersymmetrischen Teilchen, die Produktionsrate erhöht durch einen Faktor von etwa 30 wenn wir die Aufprallenergie von 8TeV, 13TeV, erhöhen", erklärt Hirschauer. "Zur gleichen Zeit erhöht die Produktionsrate für die wichtigsten"Background", diese supersymmetrischen"Signal"nur um einen Faktor von ca. 4." So wird das Signal-Hintergrund-Verhältnis um den Faktor von ca. 7,5 erhöhen. Dies ist eine große und sehr spannende Gewinn!" Das heißt, ist der LHC derzeit die besten Chancen haben wir eine einheitliche Theorie zu schaffen.

Diese supersymmetrischen Teilchen könnte nicht nur uns, aber eine mächtige Gleichung zu entwickeln helfen. Sie könnte auch erklären, dass eines der rätselhaftesten Theorien in der Physik: dunkle Materie. "Die meisten des Universums besteht aus dunkler Materie", erklärt Barr. "Das ist Zeug, zieht gravitativ auf Materie um ihn herum, aber die nicht interagieren mit Licht, also unsichtbar. Aber es ist sehr schwer zu erkennen." Dunkler Materie theoretisch entfallen 80 Prozent der Masse des Universums – aber wir haben noch nie beobachtet, dass ein Teilchen mit den Qualitäten, die wir denken, es sollte zeigen. Vielleicht nicht überraschend, dann Wissenschaftler auf der ganzen Welt sind zuversichtlich, dass die neuen Experimente am LHC etwas enthüllen könnte, "Es wäre wirklich bahnbrechende, wenn wir, in den Trümmern von den LHC-Kollisionen finden konnten Beweise für die Teilchen (oder Partikel), die für diese dunkle Materie verantwortlich sind", schwärmt Barr. "Wir wissen, dass sie nicht gemacht sind Teilchen haben wir bereits gefunden, so ist der Terra Incognita , die durch den LHC untersucht werden wirklich sehr spannend."

Vielleicht am meisten verlockend könnten ist eine Schule der Physik denken Glauben schenken darf, wir potenziell den Jackpot und finden Sie beides auf einmal. "Basierend auf unserer Theorien und die indirekte Beweise, diese Teilchen der dunklen Materie [könnte] die gleichen supersymmetrischen Teilchen" Hirschauer, erklärt. "Ich persönlich arbeite hart, um dunkle-Materie-Teilchen unter der Annahme zu entdecken, dass sie supersymmetrischen Teilchen sind."

All dies ist natürlich alles andere als sicher. Die Natur des Experimentierens ist, wie gut Ihre Theorien scheinen, Realität kann erweisen sich als etwas völlig Unerwartetes. Dass, könnte aber am Ende wird das spannendste Ergebnis, was, dem wir hoffen konnten. "Auf meine am meisten Wild optimistisch Tag [Ich kann mir vorstellen] wir entdecken etwas — nichts — widerspricht, die unser gegenwärtiges Verständnis des Universums," Hirschauer, erklärt. "Uneinigkeit wird uns zeigen, wie wir verfeinern unsere Theorien um die Gesetze der Natur richtig erklären müssen. "Ich verspreche, dass wir nicht enttäuscht werden, wenn wir stattdessen etwas völlig unerwartete entdecken!"

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