Ibland behöver maskinen som är ansvarig för att underlätta upptäckningar av huvudet snurra lite stillestånd. Här, en underhållsarbetare inspekterar LHC -tunneln den 19 november, 2013. Vladimir Simicek/isifa/Getty Images Ibland, det är de små sakerna som gör dig galen. I början av 1900 -talet, fysiker verkade ha universum ganska väl sytt, mellan Newtons gravitation och Maxwells elektromagnetiska ekvationer. Det var bara ett tjatande problem:hur man förklarar radioaktivitet. Att ta itu med det utlöste en vetenskaplig revolution som avslöjade den fantastiska sanningen om små saker:Ibland innehåller de universum.
Partikelfysik och kvantmekanik, de riktigt små vetenskaperna, gav fysiken ytterligare två grundkrafter och ett menageri av konstiga elementära partiklar, men efter 1970 -talet återstod lite annat än att testa och förfina den dominerande teorin, de standardmodell . Ytterligare 30 års värde av subatomära fläckar som slogs ut av acceleratorer och kolliderare fyllde nyckelämnen, men många frågor återstod:Varför hade vissa partiklar massa medan andra inte hade det? Kan vi förena de fyra grundkrafterna eller få allmän relativitet och kvantmekanik att komma överens?
Skulle en av dessa hängande trådar utlösa en ny revolution? Att ta reda på det skulle ta en större, kraftfullare partikelkolliderare än någonsin tidigare, en 27 kilometer lång ring av supraledande magneter kallare än yttre rymden, kan slå ihop partiklar vid nära ljushastighet i ett ultrahögt vakuum. Den 10 september, 2008, den här 10 miljarder dollar Large Hadron Collider (LHC), hundratals forskare och ingenjörers samarbete globalt, gick med i European Organization for Nuclear Research (CERN) campus för acceleratorer och slog snart partikelkollisionsrekord.
Låt oss titta tillbaka på vad vi har lärt oss hittills, börjar med den mest kända upptäckten av alla.
Innehåll
Professor Peter Higgs besöker London Science Museums "Collider" -utställning den 12 november, 2013. Tänk att det är säkert att säga att Higgs och hans kollegor inte riktigt förutsåg Higgs boson hoopla. Peter Macdiarmid/Getty Images I vår makrovärld, vi antar att alla partiklar har massa, dock liten. Men i mikrovärlden, elektriskt svag teori , som binder de elektromagnetiska och svaga krafterna till en underliggande kraft, förutspår att speciella partiklar kallas medlare bör inte ha någon massa alls; vilket är ett problem, för att några av dem gör det.
Medlar är tvångsbärare: Fotoner överföra elektromagnetism, medan W och Z bosoner bära svag kraft. Men medan fotoner är masslösa, W- och Z -bosonerna packar rejält, i storleksordningen 100 protoner styck [källa:CERN].
År 1964, fysikern Peter Higgs från University of Edinburgh och teamet av François Englert och Robert Brout från Free University of Brussels föreslog oberoende en lösning:ett ovanligt fält som förmedlade massa baserat på hur starkt partiklar interagerade med det. Om det här Higgs -fältet fanns, då borde den ha en mediatorpartikel, a Higgs boson . Men det skulle krävas en anläggning som LHC för att upptäcka det.
Under 2013, fysiker bekräftade att de hittat ett Higgs-boson med en massa på ungefär 126 giga-elektronvolt (GeV)-den totala massan på cirka 126 protoner (massa-energiekvivalens låter fysiker använda elektronvolter som en massenhet) [källor :Das]. Långt ifrån att stänga böckerna, detta öppnade upp helt nya forskningsområden för universums stabilitet, varför det verkar innehålla så mycket mer materia än antimateria, och sammansättningen och överflödet av mörk materia [källor:Siegfried].
Det upptäcker kvarkar! Den avlidne teoretiska fysikern Nathan Isgur visar en modell av en del av en maskin för att observera kvarkers beteende. Prislappen (1981) var 83 miljoner dollar. Ron Bull/Toronto Star via Getty Images År 1964, två forskare som kämpar för att förstå hadroner - subatomära partiklar påverkade av den starka kraften- kom individuellt på idén att de bestod av en bestående partikel med tre typer. George Zweig kallade dem ess; Murray Gell-Mann dubbade dem kvarker och märkte deras tre typer, eller smaker, som "upp, "" ner "och" konstigt. "Fysikerna skulle senare identifiera tre andra kvarksmaker:" charm, " "överdel och underdel."
Under många år, fysiker indelade hadroner i två kategorier baserat på de två sätt som kvarkar gjorde dem: baryoner (inklusive protoner och neutroner) bestod av tre kvarkar, medan mesoner (såsom pioner och kaoner) bildades av kvark-antikvark-par [källor:CERN; ODS]. Men var detta de enda möjliga kombinationerna?
År 2003, forskare i Japan hittade en konstig partikel, X (3872) , som tycktes vara gjord av en charmkvark, en antikarm och minst två andra kvarker. När du undersöker partikelns möjliga existens, forskare funnit Z (4430) , en uppenbar fyra-kvarkpartikel. LHC har sedan upptäckt bevis för flera sådana partiklar, som bryter - eller åtminstone väsentligen böjer - den etablerade modellen för kvarkarrangemang. Sådana Z -partiklar är flyktiga, men kan ha trivts i en mikrosekund eller så efter Big Bang [källor:O'Luanaigh; Diep; Bevilja].
En arbetare står under Compact Muon Solenoid (CMS), en detektor för allmänna ändamål vid LHC. Vissa fysiker har haft stora förhoppningar om att detektorn skulle avslöja bevis för att stärka SUSY. Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images Teoretiker avancerade supersymmetri , smeknamn SUSY , för att hantera flera tjatiga frågor lämnades standardmodellen obesvarad, till exempel varför vissa elementära partiklar har massa, hur elektromagnetism och de starka och svaga kärnkraftsstyrkorna en gång kunde ha bundit samman och, eventuellt, vad mörk materia är gjord av. Det etablerade också ett lockande förhållande mellan kvarkerna och leptoner som utgör materia och bosoner som förmedlar deras interaktioner. Liksom de baryoner som nämnts tidigare, leptoner (t.ex. elektroner) tillhör en grupp subatomära partiklar som kallas fermioner som har motsatta kvantegenskaper för bosoner. Än, enligt SUSY, varje fermion har en motsvarande boson, och vice versa, och varje partikel kan omvandlas till sin motsvarighet [källor:CERN; Siegried].
Om sant, SUSY skulle betyda att de två elementära partikeltyperna (fermioner och bosoner) bara är två sidor av samma mynt; det skulle ta bort vissa oavbrutna oändliga mängder som dyker upp i matematiken genom att låta motsvarande partiklar avbryta; och det skulle ge plats för tyngdkraften-en uppenbar utelämnande i standardmodellen-eftersom fermion-boson och boson-fermion-omvandlingar kan innebära gravitoner , de långteoretiserade gravitationskraftbärarna.
Fysiker hoppades att LHC antingen skulle hitta bevis för att stödja SUSY eller avslöja djupare problem som skulle peka mot nytt teoretiskt och experimentellt territorium. Än så länge, ingen verkar ha hänt, men räkna inte ut supersymmetri än. SUSY finns i många versioner, var och en kopplad till särskilda antaganden; LHC har bara siktat bort några av de mest eleganta och troliga sorterna.
Soppan du jour på CERN är en rejäl kvark-gluonplasma. Wavebreakmedia Ltd/Wavebreak Media/Thinkstock När forskare som kalibrerade LHC-instrument hoppade över de vanliga proton-protonkollisionerna och istället valde att ram protoner i blykärnor, de noterade ett överraskande fenomen:De slumpmässiga vägar som de resulterande subatomära granaten vanligtvis tog hade ersatts av en uppenbar samordning.
En teori som utvecklats för att förklara fenomenet säger att påverkan skapade ett exotiskt tillstånd av materia som kallas kvark-gluonplasma (QGP) , som flödade som vätska och producerade koordinerade partiklar när den svalnade. Både Brookhaven National Laboratories och LHC har tidigare skapat QGP - den tätaste formen av materia utanför ett svart hål - genom att kollidera tunga joner som bly och guld. Om QGP från en proton-blykollision visar sig vara möjligt, det kan avsevärt påverka idéer om hur forskare ser på förhållandena direkt efter Big Bang, när QGP hade sin korta storhetstid. Det finns bara ett problem:Kollisionen borde inte ha haft tillräckligt med energi för att släcka den hypoteserade kvarksoppan [källor:CERN; Bevilja; Roland och Nguyen; Än].
Även om de flesta fysiker förespråkar denna idé trots dess problem, vissa har argumenterat för en andra förklaring som involverar ett teoretiskt fält skapat av gluoner , partiklarna som förmedlar stark kraft och klistrar in kvarker och antikvarker i protoner och neutroner. Hypotesen säger att gluoner som zippar längs med nära ljushastighet bildar fält som får dem att interagera. Om det är korrekt, denna modell kan ge värdefull insikt i protonstruktur och interaktion [källor:Grant].
Sexhundra miljoner partikelkollisioner per sekund kan generera mycket data och, följaktligen, analys. Det är nog säkert att säga att LHC -data kommer att ge många fler överraskningar. Fabrice Coffrini/AFP/Getty Images Så ologiskt som det kan låta, många fysiker hoppades att LHC skulle sticka några hål i standardmodellen. Ramverket har problem, trots allt, och kanske en jordskakande upptäckt eller två skulle bekräfta supersymmetri, eller åtminstone peka mot nya forskningsvägar. Som vi nämnde, fastän, LHC har upprepade slag mot exotisk fysik samtidigt som standardmodellen vid varje tur bekräftades. Beviljas, resultaten är inte alla in (det finns oerhört mycket data att analysera), och LHC har ännu inte nått sin fulla energi på 14 tera-elektronvolt (TeV). Ändå, chansen ser inte bra ut för att få standardmodellen att se dålig ut.
Eller kanske gör de det, om en rapport från 2013 om B-mesonförfall är någon indikation. Det visar att B-mesoner förfaller till en K-meson (aka a kaon) och två muoner (partiklar som liknar elektroner), som inte höjer ögonbrynen, förutom att förfallet följde ett mönster som inte förutses av standardmodellen. Tyvärr, studien faller för närvarande under tröskeln för dans-i-våra-lab-rockar. Fortfarande, det är tillräckligt högt för att väcka förhoppningar, och analys av ytterligare data kan tumma det från den röda zonen till slutzonen. Om så är fallet, det udda mönstret av förfall kan ge den första glimten av den nya fysiken så många letar efter [källor:Johnston; O'Neill].
Efter slutförandet av LHC, några undrade vad det skulle innebära för fysiken om Higgs -bosonet inte dök upp. Det var inte bara den massiva atomkrossarens primära existensberättigande; det var en slags lyftnål för standardmodellen.
Nu finns det ett större problem, och det innefattar de kosmiska bakgrundsstrålningsmätningarna som gjorts av den andra generationen av Background Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization (BICEP2). Om BICEP2:s observationer visar sig vara korrekta, då borde Higgs -fältet ha varit tillräckligt energiskt under Big Bang för att orsaka en omedelbar Big Crunch. Med andra ord, om båda idéerna stämmer då borde vi inte vara här för att argumentera om varför de inte kan vara sanna båda två.
