Renowacja może zrewolucjonizować fizykę

Głęboko w ziemi, w Alpach, naukowcy z trudem powstrzymują swój entuzjazm.

Szepczą o odkryciach, które fundamentalnie zmienią nasze rozumienie wszechświata.

„Szukałem piątej siły, odkąd byłem fizykiem cząstek”, mówi dr Sam Harper. „Może to jest ten rok.”

Sam od 20 lat próbuje znaleźć dowody na to, że… Piąta siła naturywraz z grawitacją, elektromagnetyzm i dwiema siłami jądrowymi to cztery, które już znają fizycy.

Swoje nadzieje wiąże z gruntowną renowacją Wielkiego Zderzacza Hadronów. To najbardziej zaawansowany akcelerator cząstek na świecie — gigantyczna maszyna, która rozbija atomy, aby je rozbić i odkryć, co jest w środku.

Został on dodatkowo ulepszony w trzyletniej aktualizacji. Jego instrumenty są bardziej czułe, co pozwala naukowcom badać zderzenia cząstek z wnętrza atomów z wyższą rozdzielczością; Jego oprogramowanie jest zoptymalizowane tak, że może pobierać dane średnio 30 milionów razy na sekundę; A jego wiązki są węższe, co znacznie zwiększa liczbę kolizji.

Oznacza to, że istnieje obecnie największa szansa, że ​​LHC znajdzie cząstki subatomowe, zupełnie nowe dla nauki. Mamy nadzieję, że dokonamy odkryć, które wywołają największą rewolucję w fizyce od stu lat.

Oprócz przekonania, że ​​mogą znaleźć nową piątą siłę natury, naukowcy mają nadzieję znaleźć dowody na istnienie niewidzialnej substancji, która stanowi większość wszechświata zwanej ciemną materią.

Kliknij tutaj, aby naukowcy mogli przesłać. Wielu spekulowało, że LHC znalazł już dowody na istnienie nowego świata fizyki.

LHC jest częścią Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych, lepiej znanej jako Cern, na granicy szwajcarsko-francuskiej, na obrzeżach Genewy. W miarę zbliżania się wydaje się, że jest to nijaki kompleks – bloki biurowców i akademików z lat 50., rozciągające się na obszarze o powierzchni dwóch i pół mili kwadratowej, z wypielęgnowanymi trawnikami i krętymi drogami nazwanymi na cześć wybitnych fizyków.

Historia toczy się dalej

Ale 100 metrów pod ziemią jest katedrą nauki. Udało mu się dostać do serca LHC, do jednego z gigantycznych detektorów, który dokonał jednego z największych odkryć naszego pokolenia, bozonu Higgsa, cząstki subatomowej, bez której wiele innych znanych nam cząstek nie miałoby masy. Detektor Atlas ma 46 metrów długości i 25 metrów wysokości. Jest to jeden z czterech instrumentów LHC, które analizują cząstki stworzone przez LHC.

To 7000 ton metalu, krzemu, elektroniki i drutu, wszystko misternie i delikatnie połączone. To rzecz wielkiej urody. „Majesty” to słowo używane przez dr Marcelę Bona z Queen Mary University of London, która jest jedną z naukowców korzystających z detektora Atlas w swoich eksperymentach.

Jestem zachwycony pokazem, ponieważ Marcella opowiada mi o ulepszeniach wprowadzonych do detektora podczas trzyletniego wyłączenia Wielkiego Zderzacza Hadronów.

„Będzie dwa do trzech razy lepsze, jeśli chodzi o zdolność naszego eksperymentu do odkrywania, zbierania i analizowania danych”, powiedziała mi. „Cała seria beta została zaktualizowana”.

Wśród stukotu i hałasu inżynierów, którzy ukończyli modernizację Atlasu, trudno mi sobie wyobrazić, że coś tak dużego byłoby potrzebne do wykrycia cząstek znacznie mniejszych od atomu.

LHC zawiera cztery takie odczynniki, z których każdy wykonuje różne eksperymenty. W centrum tych gigantycznych detektorów cząstki znane jako protony, które znajdują się w jądrze atomów, zderzają się ze sobą po przyspieszeniu bliskim prędkości światła wokół 17-milowego pierścienia obwodowego.

Zderzenia tworzą mniejsze cząstki, które lecą w różnych kierunkach. Ich ścieżka i energia są śledzone przez systemy detektorów i to właśnie ta ścieżka mówi naukowcom, jakiego rodzaju jest to cząsteczka, zamiast określać typy i cechy zwierzęcia na podstawie jego odcisków stóp.

Prawie wszystkie mniejsze cząstki powstałe w wyniku zderzeń są już znane nauce. Fizycy poszukują tutaj dowodów na istnienie nowych cząstek, które mogą powstawać w wyniku zderzeń, ale uważa się, że tworzą się niezwykle rzadko.

Fizycy uważają, że te nieodkryte cząstki są kluczem do otwarcia całkowicie nowego spojrzenia na wszechświat. Ich odkrycie spowoduje największą zmianę w fizycznym myśleniu od czasu teorii względności Einsteina.

Inżynierowie spędzili ostatnie trzy lata na unowocześnianiu LHC, aby w krótszym czasie powodować więcej awarii. Odnowiona maszyna ma większą szansę na tworzenie i znajdowanie nowych cząstek, które rzadko powstają. Dużą część tej pracy kierował dr Rhodri Jones, który zachwyca się tytułem „Head of Beams”.

Rodriego spotkałem na miejscu montażu magnesów w CERN-ie, które przypomina ogromny hangar lotniczy. Tutaj inżynierowie regenerują 15-metrowe cylindryczne magnesy, które zaginają wiązki cząstek wokół akceleratora. Jest to dokładna praca bez żadnego marginesu błędu.

Rodri powiedział mi, że jego zespół zwęził wiązki, dzięki czemu więcej cząstek zostało skompresowanych na mniejszym obszarze. To znacznie zwiększa szanse na zderzenie cząstek.

„Przyglądamy się bardzo rzadkim procesom, więc im więcej jest kolizji, tym większa szansa na wykrycie tego, co naprawdę się dzieje i zobaczenie niewielkich anomalii” – mówi.

„Optymalizacja wiązki oznacza, że ​​przy całej fizyce, którą wykonaliśmy od początku lat działania LHC, w ciągu najbliższych trzech lat będziemy mogli mieć taką samą liczbę zderzeń, jak my. zrobiłem w ciągu tych 10 lat.”

Kolejnym znaczącym ulepszeniem było przechwytywanie i przetwarzanie danych z kolizji. W Regenerated Large Hadron Collider dane z każdego z czterech detektorów są gromadzone w tempie bąbelków 30 milionów razy na sekundę. To oczywiście zbyt wiele, by ludzki umysł mógł to pojąć, ale każda pojedyncza kolizja może zawierać ważne dowody na istnienie jednej z nowych cząstek, których poszukują naukowcy.

Oprogramowanie LHC zostało zaktualizowane tak, aby automatycznie przeszukiwało wszystkie zebrane dane, a przy użyciu najnowszych technik sztucznej inteligencji identyfikuje i zapisuje odczyty, które mogą potencjalnie zainteresować naukowców do analizy.

Obecna teoria fizyki subatomowej nazywa się Modelem Standardowym. Chociaż ma niefikcyjną nazwę, teoria ta była genialna w wyjaśnianiu, w jaki sposób cząstki subatomowe łączą się, aby stworzyć atomy, z których składa się otaczający nas świat. Model Standardowy wyjaśnia również, w jaki sposób cząstki oddziałują poprzez siły natury, takie jak elektromagnetyzm i siły jądrowe, które utrzymują razem składniki atomów.

Jednak Model Standardowy nie wyjaśnia, jak działa grawitacja, ani nie potrafi wyjaśnić, jak zachowują się niewidoczne części wszechświata, które fizycy nazywają ciemną materią i ciemną energią. Naukowcy wiedzą, że te niewidzialne cząstki i siły powstają w wyniku ruchu galaktyk w przestrzeni – i razem stanowią 95 procent wszechświata. Ale nikt jeszcze nie był w stanie udowodnić ich istnienia i określić, czym one są.

LHC został zbudowany w celu odkrycia tych cząstek, które mogą wyjaśniać działanie wszechświata. Dr Marcella Bona powiedziała mi, że teraz jest prawdziwa nadzieja, że ​​ulepszenia to umożliwią.

„To naprawdę ekscytujący czas” – powiedziała radośnie. „Przez ostatnie trzy lata pracowaliśmy nad unowocześnieniem maszyny. Teraz jesteśmy gotowi.”

Marcela płonęła z pasji od chwili, gdy ją poznałem. Ale jej podekscytowanie wzrasta do poziomu, kiedy pytam ją, czy odkrycie cząstki ciemnej materii będzie jednym z największych odkryć w fizyce.

„Powiedziałabym, że tak”, śmieje się z szeroko otwartymi oczami, „tak, to byłoby niesamowite”, mówi, pozwalając sobie przez chwilę cieszyć się bardzo realną możliwością, że to się wydarzy w nadchodzących miesiącach.

Nie mniej entuzjastyczny jest dr Sam Harper, naukowiec, który przez ostatnie dwie dekady badał „piątą siłę” natury. Działa na innym z czterech detektorów LHC, zwanym CMS, znajdującym się na drugim końcu kompleksu Cern.

Wyniki uzyskane z LHC przed wyłączeniem regeneracji oraz z wielu innych akceleratorów cząstek na całym świecie wykazały kuszące wskazówki dotyczące tej piątej siły. Ale dzięki dodatkowej mocy Wielkiego Zderzacza Hadronów Sam mówi mi, że jego naukowe poszukiwania mogą wkrótce się skończyć.

Podobnie jak Marcella, podekscytowanie narasta w jego głosie, gdy mówi na głos to, czego nie można oficjalnie powiedzieć w kręgach naukowych, dopóki nie ma rozstrzygających dowodów.

„To odwróciłoby pole. Byłoby to największe odkrycie Wielkiego Zderzacza Hadronów, największe odkrycie w fizyce cząstek od…”

Sam przerwał, usiłując znaleźć słowa.

– Będziesz większy niż Higgs.

Cern będzie obchodzić 10. rocznicę odkrycia bozonu Higgsa jeszcze w tym roku. Jednak obchody zwracają uwagę na fakt, że finansowany ze środków publicznych LHC o wartości 3,6 miliarda funtów, z rocznymi kosztami operacyjnymi wynoszącymi 750 000 funtów, nie dokonał od tego czasu naprawdę dużego odkrycia. Wielu miało nadzieję, a niektórzy spodziewali się, że najpotężniejszy akcelerator cząstek, jaki do tej pory odkrył ciemną energię, piątą siłę lub jakąś typową cząstkę zmienną.

Wiele zależy od wyników, które naukowcy uzyskają w ciągu najbliższych kilku lat, ponieważ Cern wkrótce przedstawi propozycje dotyczące większego zderzacza hadronów. Najbardziej ambitny plan, zwany Future Circular Collider (FCC), miałby mieć obwód 60 mil, który przebiegałby pod Jeziorem Genewskim.

Koszt FCC może wynieść 20 miliardów funtów. Obecnej maszynie zostało jeszcze co najmniej dziesięć lat i wiele innych ulepszeń, które dadzą jej jeszcze więcej energii w próbach odkrycia cząstek, które na zawsze zmienią fizykę. Jednak liderzy naukowi Cerna przedstawią wkrótce swoje argumenty za kolejną fazą eksperymentów fizyki cząstek elementarnych. Przekonanie rządów państw członkowskich do zobowiązania się do znacznego zwiększenia finansowania będzie trudniejsze, jeśli najnowsza aktualizacja nie znajdzie nawet pomysłu na nowe cząstki w ciągu najbliższych dwóch lub trzech lat.

Dr Sam Harper przyznaje, że był „trochę przerażony”, gdy LHC rozpoczyna kolejny zestaw eksperymentów.

„Naprawdę staramy się zebrać wszystko w całość i ciężko pracujemy, aby nie przegapić żadnej potencjalnej nowej fizyki. Ponieważ najgorsze na świecie jest to, że istnieje nowa fizyka, a my” nie znajdziecie on-ona.

Ale przezwyciężenie toksycznego lęku sprawia, że ​​jestem podekscytowany tym, co przyniesie następne kilka lat.

„Rzeczą, która napędza wszystkich fizyków cząstek elementarnych, jest to, że chcemy odkryć nieznane i dlatego rzeczy takie jak piąta siła i ciemna materia są tak ekscytujące, ponieważ nie mamy pojęcia, co to może być lub czy istnieje i naprawdę chcemy to znaleźć na zewnątrz.”

Co może być pierwszym pęknięciem w Modelu Standardowym odkrytym przez naukowców z Fermilabu, amerykańskiego odpowiednika Wielkiego Zderzacza Hadronów, na początku tego miesiąca. W nadchodzących miesiącach i latach naukowcy z LHC będą starali się potwierdzić swoje odkrycia i znaleźć więcej pęknięć w obecnej teorii, dopóki nie zawali się, aby ustąpić miejsca nowej, zunifikowanej i bardziej kompletnej teorii działania wszechświata.

podążaj za bluszczem na Twitterze