Waarom natuurkundigen echt, echt een nieuw subatomair deeltje willen vinden?

De laatste zoektocht naar een nieuw deeltje is mislukt. Wetenschappers zijn opgewonden en een beetje bang.

Deeltjesfysici smeken de natuur om de geheimen van het universum te onthullen. Het universum praat niet terug.

STOFFEN COFFRINI/AFP/Getty Images

Deeltjesfysici zijn nogal filosofisch als ze hun werk beschrijven.



Wat we ook ontdekken, dat is wat de natuur heeft gekozen, vertelt Kyle Cranmer, hoogleraar natuurkunde aan de New York University, me. Het is een goede instelling als je vakgebied grote teleurstellingen oplevert.

Maandenlang was het bewijs montage dat de Large Hadron Collider, de grootste en krachtigste deeltjesversneller ter wereld, iets buitengewoons had gevonden: een nieuw subatomair deeltje, dat een ontdekking zou zijn die zelfs die van de LHC overtreft ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 , en misschien wel de belangrijkste vooruitgang sinds Einsteins relativiteitstheorie.

En toch had de natuur andere plannen.

In augustus meldde de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) dat het bewijs voor het nieuwe deeltje dun was geworden. Wat leek op een veelbelovende hobbel in de gegevens, wat wijst op de aanwezigheid van een deeltje met een unieke massa, was gewoon lawaai .

Maar voor Cranmer - die LHC-gegevens in zijn werk heeft geanalyseerd - deed het nieuws dat wel niet gelijk aan falen. Daar moet je rekening mee houden, zegt hij. Omdat het zo kan voelen. Het was er niet om ontdekt te worden. Het is alsof je boos bent dat iemand geen eiland heeft gevonden terwijl iemand midden op de oceaan vaart.

Het zou een diepgaande ontdekking zijn om te ontdekken dat we niets anders gaan zien

Bovendien is de reis van de LHC nog lang niet voorbij. De machine zal naar verwachting nog een jaar of twintig meegaan. Er zullen meer eilanden zijn om naar te zoeken.

We gaan een heleboel nieuwe deeltjes ontdekken of we zullen het niet doen, zegt Cranmer. Als we nieuwe deeltjes vinden, kunnen we ze bestuderen, en dan hebben we een houvast om vooruitgang te boeken. En als we dat niet doen, staren we naar een vlakke muur aan de voorkant om uit te zoeken hoe we die moeten beklimmen.

waar vindt peter pan plaats?

Dit is een dramatisch moment, een dat zou kunnen... provoceren een crisis aan de rand van de natuurkunde, volgens een opiniestuk van de New York Times. Want als de overtreffende trap LHC geen antwoorden kan vinden, zal het twijfel zaaien dat antwoorden experimenteel kunnen worden gevonden.

Vanaf hier zijn er twee brede scenario's die zich kunnen voordoen, die beide ons begrip van de natuur enorm zullen vergroten. Eén scenario zal de natuurkunde openen voor een nieuwe wereld van begrip over het universum; de andere zou een einde kunnen maken aan de deeltjesfysica zoals we die kennen.

De natuurkundigen hebben zelf geen controle over de uitkomst. Ze wachten op de natuur om hen de antwoorden te vertellen.

Waarom geven we eigenlijk om nieuwe subatomaire deeltjes?

Een grafiek die sporen van botsingen van deeltjes toont tijdens de Compact Muon Solenoid (CMS)-ervaring, is afgebeeld met een langzame snelheidservaring op de Universe of Particles-tentoonstelling van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) op 13 december 2011 in Genève.

STOF COFFRINI / AFP / GettyImages

De LHC werkt door atomen met ongelooflijk hoge snelheden tegen elkaar te slaan. Deze deeltjes smelten samen en kunnen een willekeurig aantal deeltjes vormen die vanaf de oerknal in het universum aanwezig waren.

Toen het Higgs-deeltje in 2012 werd bevestigd, was dat een reden tot feest en onrust. De Higgs was het laatste stukje van een puzzel, het standaardmodel genaamd, een theorie die alle bekende componenten van de natuur (behalve de zwaartekracht) met elkaar verbindt in een evenwichtige, wiskundige vergelijking. De Higgs was het laatste stuk waarvan werd aangenomen dat het bestond, maar nooit was gezien.

Na de ontdekking van Higgs sloegen de wetenschappers van de LHC hun hoop in een nieuwe richting. Ze hoopten dat de versneller deeltjes zou kunnen vinden die nog nooit eerder waren getheoretiseerd of gezien. Het was alsof ik van een schattenjacht met een kaart naar het charteren van een nieuwe oceaan ging.

Ze willen deze nieuwe subatomaire deeltjes vinden, want hoewel het standaardmodel nu compleet is, kan het nog steeds niet veel slepende vragen over het universum beantwoorden. Laten we de twee scenario's stap voor stap doornemen.

Scenario 1: Er zijn meer subatomaire deeltjes! Spannend!

Een diagram met de 17 fundamentele deeltjes van het standaardmodel.

MissMJ

Als de LHC nieuwe subatomaire deeltjes vindt, levert het bewijs voor een theorie die bekend staat als supersymmetrie. Supersymmetrie stelt dat alle deeltjes in het standaardmodel een schaduwsuperpartner moeten hebben die in een iets andere richting draait.

Wetenschappers hebben nog nooit een van deze supersymmetrische deeltjes gezien, maar ze willen dat graag. Supersymmetrie zou een aantal van de grootste problemen kunnen oplossen die natuurkundigen momenteel kwellen.

Zoals:

verbrand je meer calorieën in de kou of hitte?

1 ) Niemand weet wat donkere materie is

Een van deze deeltjes zou kunnen zijn wat wetenschappers donkere materie noemen, waarvan wordt aangenomen dat het 27 procent van het universum uitmaakt. Maar we hebben nog nooit donkere materie gezien, en dat laat een enorm gapend gat achter in ons begrip van hoe het universum is gevormd en vandaag bestaat.

Het zou kunnen dat één deeltje verantwoordelijk is voor donkere materie, legt Cranmer uit. Simpel genoeg.

2 ) Het Higgs-deeltje is veel te licht

De ontdekking van Higgs was een ongelooflijke triomf, maar bevatte ook een mysterie om op te lossen. Het boson - met 126 GeV (giga-elektronvolt) - was veel lichter dan het standaardmodel en de wiskunde van de kwantummechanica suggereert dat het zou moeten zijn.

Waarom is dat een probleem? Omdat het een rimpel is die moet worden gladgestreken in ons begrip van het universum. Het suggereert dat het standaardmodel niet alles kan verklaren. En natuurkundigen willen weten alles .

Ofwel de natuur is een beetje lelijk, wat heel denkbaar is, en we moeten gewoon leven met het feit dat de massa van het Higgs-deeltje licht is en we weten niet waarom, Ray Brock, een fysicus van de Michigan State University die aan de LHC heeft gewerkt , zegt, of de natuur probeert ons iets te vertellen.

Het kan zijn dat een nog te ontdekken subatomair deeltje een interactie aangaat met het Higgs, waardoor het lichter wordt dan het zou moeten zijn.

Een diagram van het standaardmodel met toegevoegde supersymmetrische deeltjes.

Universiteit van Glasgow

3 ) Het standaardmodel verenigt de krachten van het universum niet

Er zijn vier grote krachten die het universum doen tikken: de sterke kernkracht (die atomen bij elkaar houdt), de zwakke kernkracht (waardoor Geigertellers tikken), elektromagnetisme (je gebruikt het nu, terwijl je dit artikel leest op een elektronische scherm) en zwaartekracht (kijk niet naar beneden.)

Wetenschappers zijn niet tevreden met de vier krachten. Ze proberen al tientallen jaren te bewijzen dat het universum eleganter werkt, dat, diep van binnen, al deze krachten slechts manifestaties zijn van één grote kracht die het universum doordringt.

Natuurkundigen noemen dit eenwording, en het standaardmodel biedt het niet.

'Als we supersymmetrie vinden bij de LHC, is dat een enorme boost voor de droom dat drie van de fundamentele krachten die we hebben [allemaal behalve de zwaartekracht] allemaal zullen verenigen, zegt Cranmer.

4 ) Supersymmetrie zou leiden tot meer deeltjesjacht

Als wetenschappers één nieuw deeltje vinden, betekent supersymmetrie dat ze er nog veel meer zullen vinden. Dat is spannend. Het zal niet zomaar een nieuw deeltje zijn dat we ontdekten, en yay! zegt Cranmer. We gaan nieuwe krachten vinden, of iets heel dieps leren over de aard van ruimte en tijd. Wat het ook is, het wordt enorm.

Scenario 2: Er zijn geen nieuwe subatomaire deeltjes. Minder spannend! Maar nog steeds interessant. En verontrustend.

Een arbeider loopt langs een gigantische foto van de CMS-detector van de Large Hadron Collider (LHC) op de Weltmaschine (World Machine)-tentoonstelling op 14 oktober 2008 in Berlijn, Duitsland.

Sean Gallup/Getty Images

De LHC gaat nog minstens 20 jaar mee. Er is nog veel tijd over om nieuwe deeltjes te vinden, zelfs als er geen supersymmetrie is. Dit is wat me altijd verbaast, zegt Brock. We hebben slechts ongeveer 5 procent van de totale geplande gegevens genomen die de LHC tot het midden van de jaren 2020 gaat leveren.

Maar het gaspedaal kan ook niets vinden. Als de nieuwe deeltjes er niet zijn om te vinden, zal de LHC ze niet vinden. (Vandaar het idee dat natuurkundigen zoeken naar wat de natuur heeft gekozen.)

Maar nogmaals, dit betekent geen mislukking. Het zal daadwerkelijk nieuwe inzichten over het heelal opleveren.

Het zou een diepgaande ontdekking zijn om te ontdekken dat we niets anders zullen zien, zegt Cranmer.

beschrijf het verschil tussen de hutu's en tutsi's in rwanda.

1) Ten eerste zou het suggereren dat supersymmetrie niet het antwoord is

Als supersymmetrie dood is, zullen theoretische natuurkundigen terug moeten naar de tekentafel om erachter te komen hoe ze de mysteries kunnen oplossen die door het standaardmodel zijn opengelaten.

Als we allemaal leeg komen te staan, zouden we onze fundamentele veronderstellingen in twijfel moeten trekken, vertelt Sarah Demers, een natuurkundige van Yale. Dat is iets wat we de hele tijd proberen te doen, maar dat zou Echt dwingen ons.

2) De antwoorden bestaan, maar ze bestaan ​​in een ander universum

chris rock twee soorten zwarte mensen

Als de LHC geen antwoorden kan vinden op vragen als waarom is de Higgs zo licht? wetenschappers zouden kunnen groeien om een ​​meer out-of-the-box idee te accepteren: het multiversum.

Dat is het idee waar er tonnen universums zijn die allemaal parallel aan elkaar bestaan. Het kan zijn dat in de meeste [de universa] het Higgs-deeltje erg zwaar is, en alleen in zeer ongebruikelijke universa [zoals de onze] is het Higgs-deeltje zo licht dat er leven kan ontstaan, zegt Cranmer.

Kortom: op de schaal van ons enkele universum is het misschien niet logisch dat de Higgs licht is. Maar als je het samenvoegt met alle andere mogelijke universums, kan de wiskunde kloppen.

Er is echter een probleem met deze theorie: als er zwaardere Higgs-bosonen in verschillende universums bestaan, is er geen manier om ze te observeren. Ze bevinden zich in verschillende universums!

Daarom haten veel mensen het, omdat ze het als anti-wetenschappelijk beschouwen, zegt Cranmer. Het is misschien onmogelijk om te testen.

3) De nieuwe subatomaire deeltjes bestaan, maar de LHC is niet krachtig genoeg om ze te vinden

Als de LHC over 20 jaar geen nieuwe deeltjes vindt, kan er een simpele reden zijn: deze deeltjes zijn te zwaar voor de LHC om te detecteren.

Dit is de basis E=mc2 Einstein: Hoe meer energie in de deeltjesversneller, hoe zwaarder de deeltjes die hij kan creëren. De LHC is de krachtigste deeltjesversneller in de geschiedenis van de mens, maar ook daar zijn grenzen.

Dus wat zullen natuurkundigen doen? Een nog grotere, nog knappere deeltjesversneller bouwen? Dat is een optie. Er zijn momenteel voorlopige plannen in China voor een versneller die twee keer zo groot is als de LHC.

Het bouwen van een grotere versneller kan moeilijker te verkopen zijn voor internationale financieringsinstanties. De LHC werd gedeeltelijk gefinancierd vanwege de zoektocht om de Higgs te bevestigen. Zullen regeringen echt miljarden uitgeven aan een machine die misschien geen epische inzichten oplevert?

Misschien waren we gezegend als een veld waar we altijd een of twee doelen hadden om op te schieten. Dat hebben we niet meer, zegt Markus Klute, een MIT-fysicus gestationeerd bij CERN in Europa. Het is gemakkelijker om de financieringsinstanties specifiek uit te leggen dat er een specifiek eindpunt is.

De LHC blijft de komende tijd draaien. Maar het zou een moeilijkere taak kunnen zijn om de zaak te bepleiten om een ​​nieuwe versneller te bouwen.

Het zijn hoe dan ook spannende tijden voor de natuurkunde

Dean Mouhtaropoulos/Getty Images

Ik denk dat we de neiging hebben gehad om voortijdig depressief te zijn, zegt Demers. Het is nooit een stap achteruit om iets nieuws te leren, zelfs als het nieuws negatief is. Het uitsluiten van ideeën leert ons ongelooflijk veel.

En ze zegt dat zelfs als de LHC nooit een ander deeltje kan vinden, het toch zinvolle inzichten kan opleveren. Haar collega's gebruiken het al om te helpen bepalen waarom er zoveel meer materie dan antimaterie in het universum is. En ze herinnert me eraan dat de LHC ons nog meer kan leren over de mysterieuze Higgs. We zullen het nauwkeuriger kunnen meten.

Brock, de MSU-fysicus, merkt op dat natuurkundigen sinds de jaren zestig op zoek zijn naar het standaardmodel. Nu weten ze niet goed wat ze najagen. Maar ze weten dat het de wereld zal veranderen.

Ik kan niet eerlijk zeggen dat ik in al die 40 jaar op ontdekkingstocht ben geweest, zegt Brock. Ik heb het standaardmodel getest. Het Higgs-deeltje was het laatste ontbrekende stuk. Nu moeten we op verkenning.