Stor Hadron Collider blir 10: Her er hvorfor det er viktigere enn noensinne

Ti år! Ti år siden starten av operasjonen for Large Hadron Collider (LHC), en av de mest komplekse maskinene noensinne laget. LHC er verdens største partikkel akselerator, begravet 100 meter under det franske og sveitsiske landskapet med en 17 kilometer omkrets.

10. september 2008 ble protoner, sentrum av et hydrogenatom, sirkulert rundt LHC-akseleratoren for første gang. Spenningen var imidlertid kortvarig fordi 22. september ble det skjedd en hendelse som skadet mer enn 50 av LHCs mer enn 6000 magneter - noe som er viktig for å holde protonene på sin sirkulære bane. Reparasjoner tok mer enn et år, men i mars 2010 begynte LHC å kollidere protoner. LHC er kronjuvelen til CERN, det europeiske partikkelfysikklaboratoriet som ble grunnlagt etter andre verdenskrig som en måte å gjenforene og gjenoppbygge vitenskapen i krigshandlet Europa. Nå utfører forskere fra seks kontinenter og 100 land eksperimenter der.

Du lurer kanskje på hva LHC gjør og hvorfor det er en stor avtale. Gode ​​spørsmål. LHC kolliderer to stråler av protoner sammen på de høyeste energiene som noensinne er oppnådd i et laboratorium. Seks eksperimenter rundt 17-milsringen studerer resultatene av disse kollisjonene med massive detektorer bygget i underjordiske huler. Det er det, men hvorfor? Målet er å forstå naturen til de mest grunnleggende byggesteinene i universet og hvordan de samhandler med hverandre. Dette er grunnleggende vitenskap på sitt mest grunnleggende.

LHC har ikke skuffet.En av funnene som ble gjort med LHC inkluderer den ettertraktede Higgs bosonen, spådd i 1964 av forskere som arbeider for å kombinere teorier om to av de grunnleggende kreftene i naturen.

Jeg jobber med ett av de seks LHC-eksperimenter - Compact Muon Solenoid-eksperimentet designet for å oppdage Higgs boson og søke etter tegn på tidligere ukjente partikler eller krefter. Min institusjon, Florida State University, ble med i Compact Muon Solenoid-samarbeidet i 1994 da jeg var en ung kandidatstudent ved en annen skole som jobbet med et annet eksperiment på et annet laboratorium. Planlegging for LHC dateres tilbake til 1984. LHC var vanskelig å bygge og dyrt - 10 milliarder euro - og tok 24 år å komme til fruksjon. Nå feirer vi 10 år siden LHC begynte å fungere.

Oppdagelser fra LHC

Den mest betydningsfulle oppdagelsen som kommer fra LHC så langt, er oppdagelsen av Higgs boson 4. juli 2012. Kunngjøringen ble gjort på CERN og fengslet et verdensomspennende publikum. Faktisk så min kone og jeg det via webcast på vår storskjerm-TV i stuen vår. Siden kunngjøringen var klokka 3 i Florida, gikk vi for pannekaker på IHOP for å feire etterpå.

Higgs boson var det siste gjenværende stykket av det vi kaller standardmodellen for partikkelfysikk. Denne teorien dekker alle de kjente grunnleggende partiklene - 17 av dem - og tre av de fire kreftene de interagerer med, selv om tyngdekraften ikke er inkludert. Standardmodellen er en utrolig godt testet teori. To av de seks forskerne som utviklet den delen av standardmodellen som forutser Higgs boson vant Nobelprisen i 2013.

Jeg blir ofte spurt, hvorfor fortsetter vi å kjøre eksperimenter, knuse sammen protoner, hvis vi allerede har oppdaget Higgs boson? Er vi ikke ferdig? Vel, det er fortsatt mye å forstå. Det er en rekke spørsmål som standardmodellen ikke svarer på. For eksempel viser studier av galakser og andre storskala strukturer i universet at det er mye mer materie der ute enn vi observerer. Vi kaller dette mørke saken siden vi ikke kan se det. Den vanligste forklaringen til dags dato er at mørkt materiale er laget av en ukjent partikkel. Fysikere håper at LHC kan være i stand til å produsere denne mystiske partikkelen og studere den. Det ville være en fantastisk oppdagelse.

Bare i forrige uke annonserte ATLAS- og Compact Muon Solenoid-samarbeidene den første observasjonen av Higgs boson-forfall, eller splittet fra hverandre, til bunnkvarker. Higgs bosonen faller på mange forskjellige måter - noen sjeldne, noen vanlige. Standardmodellen gjør spådommer om hvor ofte hver type forfall skjer. For å fullføre testen av modellen, må vi observere alle de forutsagte nedfallene. Vår siste observasjon er i samsvar med standardmodellen - en annen suksess.

Flere spørsmål, flere svar å komme

Det er mange andre gåter i universet, og vi må kreve nye teorier om fysikk for å forklare slike fenomener - for eksempel materiell / anti-materiell asymmetri for å forklare hvorfor universet har mer saksbehandling enn anti-materia, eller hierarkiproblemet å forstå hvorfor tyngdekraften er så mye svakere enn de andre kreftene.

Men for meg er søken etter nye uforklarlige data viktig fordi hver gang fysikere tror at vi alle har funnet ut det, gir naturen en overraskelse som fører til en dypere forståelse av vår verden.

LHC fortsetter å teste standardmodellen for partikkelfysikk. Forskere elsker når teori treffer data. Men vi lærer vanligvis mer når de ikke gjør det. Dette betyr at vi ikke fullt ut forstår hva som skjer. Og det er for mange av oss fremtidens mål for LHC: å oppdage bevis på noe vi ikke forstår. Det er tusenvis av teorier som forutsier ny fysikk som vi ikke har observert. Som har rett Vi trenger en oppdagelse for å lære om det er riktig.

CERN planlegger å fortsette LHC-operasjoner i lang tid. Vi planlegger oppgraderinger til akseleratoren og detektorer for å tillate det å løpe gjennom 2035. Det er ikke klart hvem som skal trekke seg først, meg eller LHC. For ti år siden ventet vi ængstelig på de første bjelkene av protoner. Nå er vi opptatt med å studere et vell av data og håper på en overraskelse som fører oss ned en ny vei. Her ser vi frem til de neste 20 årene.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation av Todd Adams. Les den opprinnelige artikkelen her.