Met de terugkeer van de Large Hadron Collider stijgt de hoop van natuurkundigen

In april vuurden wetenschappers van het European Centre for Nuclear Research, of CERN, buiten Genève, opnieuw hun kosmische kanon, de Large Hadron Collider, af. Na een onderbreking van drie jaar voor reparaties en upgrades, is de botser hervat met het afvuren van protonen – de kale ingewanden van waterstofatomen – rond het 17-mijls ondergrondse elektromagnetische circuit. Begin juli zal de LHC beginnen deze deeltjes samen te breken om vonken van oer-energie te vormen.

En zo staat het geweldige spel van het zoeken naar het geheim van het universum op het punt weer terug te keren, te midden van nieuwe ontwikkelingen en nieuwe hoop voor deeltjesfysici. Zelfs vóór de renovatie gaf de Collider hints dat de natuur iets verbazingwekkends zou kunnen verbergen. Mitesh Patel, een deeltjesfysicus aan het Imperial College London die het experiment bij CERN uitvoerde, beschreef de gegevens van zijn eerdere cursussen als “de meest opwindende reeks resultaten die ik in mijn carrière heb gezien”.

Tien jaar geleden haalden CERN-natuurkundigen de wereldwijde krantenkoppen met de ontdekking van het Higgs-deeltje, een lang gezocht deeltje dat massa overbrengt naar alle andere deeltjes in het universum. Wat valt er nog te vinden? Optimistische natuurkundigen zeggen zo ongeveer alles.

Toen de CERN-versneller voor het eerst werd ingeschakeld in 2010, was het universum klaar om aan te slaan. De machine, de grootste en krachtigste ooit gebouwd, is ontworpen om het Higgs-deeltje te vinden. Dit deeltje is de hoeksteen van het standaardmodel, een reeks vergelijkingen die alles verklaren wat wetenschappers in de subatomaire wereld hebben kunnen meten.

Maar er zijn diepere vragen over het universum die het standaardmodel niet verklaart: waar komt het universum vandaan? Waarom is het gemaakt van materie en niet van antimaterie? Wat is de “donkere materie” die het universum doordringt? Hoe heeft het Higgs-deeltje zelf massa?

Natuurkundigen hadden gehoopt dat er antwoorden zouden komen in 2010, toen de Large Collider voor het eerst operationeel was. Er is niets naar voren gekomen behalve de Higgs – in het bijzonder was er geen nieuw deeltje dat de aard van donkere materie zou kunnen verklaren. Frustrerend genoeg is het standaardmodel plat gebleven.

De versneller werd eind 2018 gesloten voor uitgebreide upgrades en reparaties. Volgens het huidige schema zal de versneller blijven werken tot 2025 en daarna nog twee jaar stilgelegd worden totdat verdere grootschalige upgrades zijn geïnstalleerd. Tot deze reeks verbeteringen behoren verbeteringen aan de gigantische detectoren die zich op vier punten bevinden waar protonstralen botsen en het botsafval ontbinden. Vanaf juli wordt het werk van deze reagentia voor hen stopgezet. De bundels van protonen zijn gecomprimeerd om ze dichter te maken, waardoor de kans groter is dat protonen op kruispunten botsen – maar er ontstaat verwarring voor detectoren en computers in de vorm van meerdere sprays van deeltjes die van elkaar moeten worden onderscheiden.

“De gegevens komen veel sneller binnen dan we gewend zijn”, zei Dr. Patel. Waar er slechts één keer botsingen waren op elk snijpunt van de stralen, zullen er nu meer dan vijf zijn.

“Het maakt ons leven een beetje moeilijker omdat we in al die verschillende interacties de dingen moeten kunnen vinden waar we om geven”, zei hij. “Maar het betekent wel dat je meer kans hebt om te zien wat je zoekt.”

Ondertussen hebben verschillende experimenten potentiële scheuren in het standaardmodel aan het licht gebracht – en gesuggereerd op een bredere, diepere theorie van het universum. Deze bevindingen omvatten zeldzaam gedrag van subatomaire deeltjes, waarvan de namen voor de meesten van ons op de kosmische terrassen onbekend zijn.

neem de muon, Een subatomair deeltje werd vorig jaar voor een korte periode beroemd. Muonen worden vaak lipide-elektronen genoemd; Ze hebben dezelfde negatieve elektrische lading, maar hebben een massa die 207 keer groter is. ‘Wie heeft daar om gevraagd?’ Natuurkundige Isador Rabe zei toen in 1936 muonen werden ontdekt.

Niemand weet waar de muonen in het grote geheel van dingen passen. Ze worden gecreëerd door botsende kosmische straling en – in botsingsgebeurtenissen – en radioactief vervallen in microseconden in sprankelende elektronen en spookachtige deeltjes die neutrino’s worden genoemd.

Vorig jaar meldde een team van ongeveer 200 natuurkundigen verbonden aan het Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois dat: Muonen die in een magnetisch veld ronddraaien, oscilleren sneller dan het standaardmodel voorspelt.

De discrepantie met theoretische voorspellingen kwam in de achtste decimaal van een parameterwaarde genaamd g-2, die beschrijft hoe een deeltje reageert op een magnetisch veld.

Wetenschappers schrijven het gedeeltelijke maar echte verschil toe aan het kwantumgefluister van tot nu toe onbekende deeltjes die zich kortstondig rond het muon zouden materialiseren en de eigenschappen ervan zouden beïnvloeden. Het bevestigen van de aanwezigheid van deeltjes zou uiteindelijk het standaardmodel breken.

Maar twee groepen theoretici werken nog steeds aan het verzoenen van hun voorspellingen over hoe g-2 eruit zou moeten zien, terwijl ze wachten op meer gegevens van het Fermilab-experiment.

“De g-2-anomalie is nog steeds springlevend”, zegt Aida X Green, een natuurkundige aan de Universiteit van Illinois die hielp bij het leiden van een driejarige inspanning, het Muon g-2 Theory Initiative genaamd, om met een consensusvoorspelling te komen. “Persoonlijk ben ik optimistisch dat scheuren in het standaardmodel zullen leiden tot een aardbeving. De exacte positie van de scheuren kan echter nog steeds een bewegend doelwit zijn.”

Het muon verschijnt ook in een andere anomalie. De hoofdpersoon, of mogelijk de schurk, in dit drama is een deeltje dat de B-quark wordt genoemd, een van de zes soorten quarks die zwaardere deeltjes vormen, zoals protonen en neutronen. B betekent bodem of schoonheid. Dergelijke quarks komen voor in twee-quarkdeeltjes die bekend staan ​​als mesonen van B. Maar deze quarks zijn onstabiel en kunnen instorten op manieren die het standaardmodel lijken te schenden.

Enkele van de zeldzamere vervalsingen van de B-quark omvatten een reeks reacties, die eindigen met een ander, lichter type quark en een paar lichtgewicht deeltjes die leptonen worden genoemd, ofwel elektronen of muonen. Het standaardmodel stelt dat elektronen en muonen meer kans hebben om in deze reactie te verschijnen. (Er is een derde zwaarder lepton genaamd tau, maar het vervalt te snel om opgemerkt te worden.) Maar Dr. Patel en zijn collega’s hebben meer elektronenparen gevonden dan muonparen, wat in strijd is met een principe dat lepton-universaliteit wordt genoemd.

“Dit zou een standaard killer-model kunnen zijn”, zegt Dr. Patel, wiens team B-quarks heeft onderzocht met behulp van een van de LHCb-detectoren van de Large Hadron Collider. Deze anomalie, zoals de magnetische anomalie van het muon, verwijst naar een onbekende “beïnvloeder” – een deeltje of kracht die de interactie verstoort.

Een van de meest dramatische mogelijkheden, zegt Dr. Patel, als deze gegevens in de loop van de volgende botsing standhouden, is een subatomaire speculatie die een leptoquark wordt genoemd. Als een deeltje bestaat, kan het de kloof overbruggen tussen de twee klassen van deeltjes waaruit het fysieke universum bestaat: lichtgewicht leptonen – elektronen en muonen, maar ook neutronen – en zwaardere deeltjes zoals protonen en neutronen, die zijn opgebouwd uit quarks. Het raadselachtige is dat er zes soorten quarks en zes soorten leptonen zijn.

“We gaan deze race in met meer optimisme over de mogelijkheid van een komende revolutie”, zei Dr. Patel. “Vingers verstrengeld.”

Er is nog een ander deeltje in deze dierentuin dat zich vreemd gedraagt: het W-deeltje, dat de zogenaamde zwakke kracht uitzendt die verantwoordelijk is voor radioactief verval. In mei, natuurkundigen met de Collider Detector bij Fermilab, of CDF, Ik meldde een inspanning van 10 jaar om de massa van dit deeltje te metengebaseerd op ongeveer 4 miljoen bosonen die zijn geoogst bij botsingen bij Fermilab’s Tevatron, de krachtigste botser ter wereld totdat de Large Hadron Collider werd gebouwd.

Volgens het standaardmodel en eerdere massametingen zou het W-boson ongeveer 80,357 miljard elektronvolt moeten wegen, de eenheid van massa-energie waar natuurkundigen de voorkeur aan geven. Ter vergelijking: het Higgs-deeltje weegt 125 miljard elektronvolt, wat overeenkomt met het gewicht van een jodiumatoom. Maar de CDF-maatstaf van W, de meest nauwkeurige ooit, kwam hoger uit dan verwacht op 80,433 miljard. De onderzoekers berekenden dat er maar één kans op 2 biljoen is – 7 sigma, in de taal van de natuurkunde – dat deze discrepantie een statistische kans was.

De massa van het W-deeltje is gerelateerd aan de massa van andere deeltjes, waaronder het beruchte Higgs. Dus deze nieuwe discrepantie zou, als ze standhoudt, een nieuwe barst in het standaardmodel kunnen zijn.

Alle drie de afwijkingen en de hoop van theoretici op een revolutie zouden echter kunnen verdampen met meer gegevens. Maar voor optimisten wijzen ze alle drie in dezelfde bemoedigende richting naar deeltjes of verborgen krachten die de ‘bekende’ fysica verstoren.

“Dus een nieuw deeltje dat zowel de G-2-massa als de W-massa zou kunnen verklaren, zou binnen bereik kunnen zijn bij de Large Hadron Collider”, zegt Kyle Cranmer, een natuurkundige aan de Universiteit van Wisconsin die aan andere experimenten bij CERN werkt.

John Ellis, een theoreticus bij CERN en Kings College London, merkt op dat er minstens 70 onderzoekspapers zijn gepubliceerd die verklaringen bieden voor de nieuwe discrepantie in het W-blok.

“Veel van deze verklaringen vereisen ook nieuwe deeltjes die mogelijk binnen het bereik van de LHC liggen”, zei hij. “Had ik al donkere materie genoemd? Er zijn dus veel dingen om op te letten!”

Het zal spannend zijn. Het zal hard werken zijn, maar we zijn erg benieuwd wat we hebben en of er iets echt spannends in de data zit”, zei Dr. Patel over de komende race.

Hij voegde eraan toe: “Je zou een wetenschappelijke carrière kunnen doorlopen en dat niet één keer kunnen zeggen. Dus het voelt als een voorrecht.”