Rozbijanie protonów w katedrach nauki

Malownicze pogranicze francusko-szwajcarskie między Alpami a Jurą od dawna przyciągało narciarzy i wędrowców z całego świata. Ale 30 marca fizycy i dziennikarze zebrali się w tej dolinie niedaleko Genewy, chcąc być świadkiem historii tworzonej 100 metrów pod powierzchnią

w budowie Markus Klute oprowadził kolegów z wydziału MIT podczas budowy CMS (od lewej: Daniel Freedman, Klute, Christoph Paus i Edward Farhi).

Zwiedzający trafili do sterowni Compact Muon Solenoid (CMS), urządzenia znajdującego się w jednej z czterech ogromnych podziemnych jaskiń Wielkiego Zderzacza Hadronów (fizycy lubią nazywać je katedrami nauki), które są połączone 27 kilometrami tuneli . Mierzący 15 metrów średnicy, 22 metry długości i ważący 12 500 ton – więcej niż Wieża Eiffla – CMS był gotowy do wysłania setek miliardów protonów pędzących ku sobie małymi rurami próżniowymi z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła. Kiedy się rozbiły, urządzenie po raz pierwszy mierzyło dokładną pozycję i energię cząstek powstałych w takich zderzeniach, dając fizykom pierwszy wgląd w fizykę leżącą u ich podstaw.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2010 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

W porze lunchu centrum sterowania CMS było już spakowane. O 12:58 monitory szybkości, które śledzą aktywność wewnątrz detektora CMS, wzrosły, ujawniając obecność pierwszych zderzeń proton-proton. Kilka sekund później pierwsze obrazy interakcji protonów i wytworzonych przez nie nowych cząstek rozświetliły ekrany. Zrekonstruowane naładowane cząstki wyglądały jak jasnożółte kropki ze złotymi mackami; Depozyty energii oznaczono czerwonymi i niebieskimi prostokątami o różnych rozmiarach. Wybuchły dzikie oklaski i wiwaty, które trwały przez kilka minut. Pokój zalała namacalna ulga. Dwadzieścia pięć lat po poczęciu pomysłu Wielkiego Zderzacza Hadronów w CERN, a 12 lat po rozpoczęciu budowy, LHC osiągnął najwyższe w historii zderzenia proton-proton, rozpoczynając nową erę w fizyce cząstek elementarnych.

Tego wieczoru w siedzibie CERN-u restauracje laboratorium LHC goszczące laboratorium rozbrzmiewały dyskusjami o wydarzeniach dnia. Podobnie jak zwykłe ożywione rozmowy o jakości śniegu w Alpach, Mistrzostwach Świata w piłce nożnej i najnowszych osiągnięciach w fizyce, informatyce i inżynierii, wymiany te były prowadzone w języku angielskim na różnych poziomach zaawansowania, chociaż można było również posługiwać się tuzinem innych języków. usłyszał. Osiągnięcie kamienia milowego pierwszych zderzeń przy siedmiu teraelektronowoltach było powodem do świętowania. Porażka tego dnia byłaby bardzo zła dla naszego pola.

Od marca LHC radzi sobie dobrze, powodując liczne kolizje. Omawiane są pierwsze obserwacje zdarzeń bozonów W i Z w eksperymentach LHC; ponieważ właściwości bozonów zmierzyliśmy już z bardzo dużą precyzją w mniejszych detektorach, służą one jako świece wzorcowe do ustawiania i kalibracji LHC. Oczekuje się, że wkrótce pojawią się pierwsze kwarki górne, najcięższe znane cząstki elementarne. Naukowcy wiedzieli o tych cząstkach od wielu lat, ale społeczność fizyków jest bardzo podekscytowana perspektywą zobaczenia ich dowodów z pierwszej ręki w LHC. A to podekscytowanie nasili się tylko wtedy, gdy zobaczymy naprawdę nowe zjawiska.

Może minąć wiele lat, zanim znajdziemy odpowiedzi na tak wielkie pytania, jak skąd pochodzi masa cząstek elementarnych, z czego składa się ciemna materia obserwowana w galaktykach oraz czy naprawdę istnieją supersymetria i dodatkowe wymiary proponowane przez teorię strun. Ale jesteśmy coraz bliżej, teraz, gdy jesteśmy w stanie tworzyć nowe masywne cząstki i badać materię w bardzo małych skalach. Wyniki eksperymentów LHC wyznaczą program dla przyszłych pokoleń fizyków cząstek elementarnych.

Celem mojego zespołu w MIT jest znalezienie długo poszukiwanego bozonu Higgsa, którego odkrycie dostarczyłoby informacji o tym, jak cząstki uzyskują masę. Chociaż bozon Higgsa wszedł do teoretycznego krajobrazu 40 lat temu, pozostaje nieuchwytny, ponieważ jest rzadko wytwarzany i natychmiast się rozpada. Eksperymentalne wyzwanie polega na zidentyfikowaniu sygnatury produktów jego rozpadu – zadanie to komplikuje istnienie innych procesów o podobnych sygnaturach. Wyzwanie można porównać do znalezienia nie igły w stogu siana, ale raczej jednego odrębnego kawałka siana. Zacząłem nad tym pracować jako licencjat prawie 12 lat temu, a teraz społeczność naukowa w końcu ma narzędzia, aby umożliwić odkrycie. To ekscytujący czas, aby zostać fizykiem cząstek elementarnych i jedyna w życiu okazja, aby pracować w centrum tego podekscytowania.

Markus Klute jest adiunktem fizyki i kieruje zespołem MIT poszukującym bozonu Higgsa w LHC. Aby zobaczyć obrazy z eksperymentu CMS 30 marca, przejdź na stronę technologyreview.com/LHC .

ukryć