At smadre protoner i videnskabens katedraler

Det maleriske fransk-schweiziske grænseland mellem Alperne og Jurabjergene har længe lokket skiløbere og vandrere fra hele verden. Men den 30. marts mødtes fysikere og journalister i denne dal nær Genève, ivrige efter at se historien blive lavet 100 meter under overfladen

under opbygning Markus Klute gav andre MIT-fakultetsmedlemmer en rundvisning under opførelsen af ​​CMS (fra venstre: Daniel Freedman, Klute, Christoph Paus og Edward Farhi).

De besøgende fandt vej til kontrolrummet på Compact Muon Solenoid (CMS), en enhed anbragt i en af ​​Large Hadron Colliders fire enorme underjordiske huler (fysikere kalder dem gerne videnskabens katedraler), som er forbundet med 27 kilometer tunneler. . CMS målte 15 meter i diameter og 22 meter lang og vejede 12.500 tons – mere end Eiffeltårnet – stod klar til at sende hundredvis af milliarder af protoner, der styrtede mod hinanden gennem små vakuumrør med hastigheder, der nærmede sig lysets hastighed. Da de styrtede ned, ville enheden for første gang måle den præcise position og energi af partiklerne produceret af sådanne kollisioner, hvilket gav fysikerne deres første glimt af den underliggende fysik.

Denne historie var en del af vores september 2010-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Ved frokosttid var CMS kontrolcenteret pakket. Klokken 12:58 overvåger hastigheden, der sporer aktiviteten inde i CMS-detektoren med spidser, hvilket afslører tilstedeværelsen af ​​de første proton-proton-kollisioner. Sekunder senere lyste de første billeder af protoninteraktioner og de nye partikler, de producerede, skærmene op. Rekonstruerede ladede partikler fremstod som lyse gule prikker med gyldne fangarme; energiaflejringer blev angivet med røde og blå rektangler af forskellig størrelse. Vilde klapsalver og jubel brød ud og fortsatte i minutter. En håndgribelig følelse af lettelse oversvømmede rummet. Femogtyve år efter, at ideen om en Large Hadron Collider ved CERN først blev udtænkt, og 12 år efter konstruktionen begyndte, havde LHC opnået de højeste energi-proton-proton-kollisioner nogensinde, hvilket begyndte en ny æra inden for partikelfysik.

I CERNs hovedkvarter den aften summede LHC værtslaboratoriets restauranter med diskussioner om dagens begivenheder. Ligesom de sædvanlige livlige samtaler om snekvalitet i Alperne, VM i fodbold og den seneste udvikling inden for fysik, databehandling og teknik, blev disse udvekslinger gennemført på engelsk på forskellige niveauer af færdigheder, selvom et dusin andre sprog også kunne være hørt. At nå milepælen for de første kollisioner ved syv teraelektronvolt var grund til at fejre. En fiasko den dag ville have været rigtig dårlig for vores felt.

Siden marts har LHC klaret sig godt og produceret adskillige kollisioner. De første observationer af W- og Z-bosonhændelser i LHC-eksperimenter diskuteres; fordi vi allerede havde målt bosonernes egenskaber med meget høj præcision i mindre detektorer, fungerer de som standardlys til justering og kalibrering af LHC. De første topkvarker, de tungeste kendte elementarpartikler, forventes at dukke op snart. Forskere har kendt til disse partikler i mange år, men fysiksamfundet er meget begejstrede for udsigten til at se beviser for dem på egen hånd på LHC. Og den spænding vil kun forstærkes, hvis vi ser virkelig nye fænomener.

Det kan tage år, før vi finder svar på så store spørgsmål som, hvor massen af ​​elementarpartikler kommer fra, hvad det mørke stof, der observeres i galakser, består af, og om supersymmetri og de ekstra dimensioner, som strengteorien foreslår, virkelig eksisterer. Men vi kommer tættere på, nu hvor vi er i stand til at skabe nye massive partikler og sondestof i meget lille skala. Resultaterne af LHC-eksperimenterne vil sætte dagsordenen for fremtidige generationer af partikelfysikere.

Målet med mit team på MIT er at finde den længe eftertragtede Higgs-boson, hvis opdagelse ville give information om, hvordan partikler erhverver masse. Selvom Higgs-bosonen kom ind i det teoretiske landskab for 40 år siden, forbliver den undvigende, fordi den sjældent produceres og forfalder øjeblikkeligt. Den eksperimentelle udfordring er at identificere signaturen af ​​dets henfaldsprodukter - en opgave kompliceret af eksistensen af ​​andre processer med lignende signaturer. Udfordringen kan sammenlignes med at finde ikke en nål i en høstak, men snarere et bestemt stykke hø. Jeg begyndte at arbejde med dette som bachelor for næsten 12 år siden, og nu har det videnskabelige samfund endelig værktøjerne i hånden til at gøre opdagelsen mulig. Det er en spændende tid at være partikelfysiker - og en enestående mulighed for at arbejde i centrum af denne spænding.

Markus Klute er assisterende professor i fysik og leder MIT-holdet, der leder efter Higgs-bosonen ved LHC. For at se billeder fra CMS-eksperimentet den 30. marts, gå til technologyreview.com/LHC.

skjule