Ist dies das Ende der Teilchenphysik, wie wir sie kennen?

Ist dies das Ende der Teilchenphysik, wie wir sie kennen?

Video: PHYSIK IM THEATER: Wie groß ist ein Proton? (08.09.2018) (Kann 2020).

Anonim

von Tom Whyntie, Das Gespräch

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Physiker auf der ganzen Welt (ich selbst eingeschlossen) hoffen, dass diese Woche den Beginn einer neuen Ära der Entdeckung markiert. Und nicht, wie manche befürchten, das Ende der Teilchenphysik, wie wir sie kennen.

Nach 27 Monaten Stillstand und Wiederinbetriebnahme hat der Large Hadron Collider seine mit Spannung erwartete "Staffel 2" begonnen. Tief unter der französisch-schweizerischen Grenze werden jetzt die ersten Physikdaten in den frisch aufgerüsteten Detektortempeln des CERN bei einer rekordverdächtigen Kollisionsenergie von 13 Teraelectonvolts (TeV) gesammelt.

Es wurde viel über das Upgrade des Beschleunigers, die Experimente und die erforderliche Computerinfrastruktur geschrieben, um die neue Datenflut von der neuen Energiestufe zu bewältigen. Zu Recht wurde auch der Krönung von Lauf 1 große Aufmerksamkeit geschenkt: der Entdeckung des Higgs-Bosons.

Aber der "Elefant im Collider" ist folgender: Wir wussten, dass Lauf 1 das Higgs-Boson finden musste - oder so ähnlich, und das tat es auch. Mit Run 2 wissen wir nicht, wonach wir suchen.

OK, vielleicht ist das ein bisschen eine Übervereinfachung. Wir haben sicherlich ein paar Vermutungen darüber, was jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik liegt, unseres derzeitigen besten Verständnisses von Materie und Kräften auf der fundamentalen Ebene, das im Juli 2012 im Wesentlichen abgeschlossen wurde.

Einer der Hauptkonkurrenten ist die Supersymmetrie, eine Theorie, die einen Kandidaten für die Dunkle Materie liefert, die angeblich 23% unseres Universums ausmacht. Zufälligerweise basierte meine Promotion auf den ersten Ergebnissen des LHC-Laufs 1, die besagten, dass wir keine Beweise für Supersymmetrie gefunden hatten.

Bisher musste ich meiner These keinen peinlichen Nachtrag hinzufügen. Obwohl es viele überzeugende Argumente für Supersymmetrie gibt, ist dies nicht in der gleichen Weise wie das Higgs-Boson erforderlich . Das Higgs war ein fehlendes Teil unseres aktuellen Physik-Puzzles; Supersymmetrie würde ein ganz neues Rätsel darstellen.

Wissenschaftliche Wildgansjagd?

Macht das Lauf 2 zu einer Zeitverschwendung? Gießen wir Geld in eine extradimensionale Verfolgungsjagd? Beobachten wir tatsächlich das Ende der Teilchenphysik, die auf Kollidern basiert?

Man würde es Ihnen verzeihen, wenn Sie keine Kenntnis oder kein Verständnis der Geschichte der Teilchenphysik (oder der Funktionsweise der Wissenschaft) hätten. Schließlich ist die Wissenschaft wohl am langweiligsten, wenn Sie 1) genau wissen, wonach Sie suchen, und 2) sie finden.

Es macht viel mehr Spaß, die Physik in der Mitte des 20. Jahrhunderts zu betrachten. Mit Elektronen, Protonen, Neutronen und Photonen kann man so ziemlich alle bekannten Bereiche der Physik, Chemie, Materialwissenschaft und Biologie beschreiben. Fortschritte in der Partikeldetektortechnologie - die Wolkenkammer von Wilson, die Trigger von Blackett und die fotografischen Emulsionen von Powell - führten zur Entdeckung völlig neuer Partikel außerhalb dieses komfortablen Naturmodells.

Zu dieser Zeit hatten kosmische Strahlen - Teilchen, die unsere Atmosphäre aus dem Weltraum bombardieren - weitaus größere Energien, als die Teilchen, die Beschleuniger auf Laborbasis erzeugen konnten. Sie stellten eine neue Energiegrenze für die Physik dar, die von den heldenhaften Teilchenjägern der 1930er und 40er Jahre erforscht wurde, die Berge bestiegen, Höhenballons starteten und Flugzeuge auf der Suche nach ihrem Quantensteinbruch flogen.

Sie wurden für ihre Bemühungen unter anderem mit seltsamen Partikeln belohnt, einer völlig neuen Art von Materie, die sich den Vorhersagen der Zeit widersetzte und die Tür zu einem wahren Zoo subatomarer Bausteine ​​öffnete.

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts gab es einen transatlantischen Wettlauf um den Bau immer größerer Teilchenbeschleuniger, um unter kontrollierten Laborbedingungen künstlich kosmische Strahlen zu erzeugen und den Teilchenzoo zu zähmen. Dieses Rennen wurde wohl vom LHC gewonnen. Wenn wir uns der neuen, unbekannten Energiegrenze von Lauf 2 nähern, brauchen wir erneut eine neue Generation von Partikeljägern. Wir brauchen experimentelle Physiker, die auf der Suche nach "was kommt als nächstes" jedes Datenbyte sorgfältig durchforsten können.

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Monopolmission

Persönlich habe ich supersymmetrische Suchen (war dabei, habe das getan) vermieden und bin zusammen mit den Studenten des Langton Star Centers der MoEDAL-Kollaboration beigetreten. In diesem Experiment wird nach Paul Diracs hypothetischem magnetischen Monopol gesucht. MoEDAL (Monopole and Exotics Detector am LHC), das seinen Sitz in der LHCb-Kaverne in Punkt 8 hat, wird eine Reihe neuartiger Detektortechnologien einsetzen, um nach Spuren zu suchen, die von den schweren, hochionisierenden magnetischen Monopolen erzeugt werden, die theoretisch in erzeugt werden könnten die Proton-Proton-Kollisionen.

Magnetische Monopole sind das magnetische Äquivalent einzelner elektrischer Ladungen - wie ein Magnet mit nur einem Nord- oder Südpol und nicht beiden - und ihre Entdeckung würde die Physik in ihrem elektromagnetischen Kern erschüttern. Es handelt sich um eine Suche mit hohem Risiko und hohem Ertrag. Indem wir jedoch Alternativen zu den herkömmlichen Detektormethoden von CMS und ATLAS anbieten, stellen wir sicher, dass so viele Grundlagen wie möglich abgedeckt werden.

Wir wissen nicht, was wir in Lauf 2 finden werden. Es könnten Monopole, dunkle Materie, mikroschwarze Löcher, extradimensionale Anregungen, Gravitonen oder etwas ganz anderes sein. Fest steht: Wenn wir etwas finden wollen, müssen wir unglaublich klug sein, wie wir es angehen. Möglicherweise brauchen wir sogar Ihre Hilfe. Wenn wir nichts finden, könnte dies der Anfang vom Ende dessen sein, was uns die terrestrische, auf Kollidern basierende Physik über das Universum erzählen kann. Aber selbst ein Null-Ergebnis von Lauf 2 wäre immer noch ein Ergebnis, und zwar ein wichtiges.

Es ist also der Beginn einer neuen Ära für die Teilchenphysik. Es ist Zeit für die Experimentatoren, ihre theoretischen Freunde noch einmal zu übertreffen. Es ist Hochsaison für die Partikeljäger.