211service.com
Ikke din standardmodelfysiker
Professor Janet Conrad er på en søgen efter at finde den undvigende spøgelsespartikel - og vende fysikken på hovedet. 23. oktober 2018
Fotoillustration af Janet Conrad Originalt foto af Cassandra Klos
I sommeren 2005 lavede Janet Conrad et væddemål ved en festmiddag, der var arrangeret på et svensk slot for nogle af verdens førende fysikere.
Over adskillige kurser og meget vin sparrede Conrad, dengang fysikprofessor ved Columbia University, legende med nobelpristageren og MIT-fysikeren Frank Wilczek om Higgs-bosonen, en fundamental partikel, der blev forudsagt at eksistere af fysikkens standardmodel, men som havde undgået alt. forsøg på opdagelse. At finde Higgs ville være nøglen til at løse mysteriet om, hvordan partikler erhverver masse.
Fysikere, der håbede på at observere den undvigende partikel, satte deres håb til Large Hadron Collider, verdens mest kraftfulde partikelaccelerator, dengang under konstruktion i hule tunneler nær de schweiziske alper. LHC blev designet til at smadre stråler af protoner og tunge ioner sammen tæt på lysets hastighed. I kølvandet forventede fysikere at se tegn på Higgs-bosonen sammen med andre nye fysiske fænomener.
Conrad, en selvanerkendt kontrarianer, stillede et modstridende spørgsmål: Hvad hvis LHC ikke opdagede Higgs? Hun havde grund til at tro, at mens partiklen skulle eksistere, ville den eksistere i et energiområde, som detektoren ikke ville være i stand til at opfange. Efter en livlig debat blev et væddemål, skrevet på en notesblok, slået: en Higgs-opdagelse ville favorisere Wilczek, mens ingen opdagelse ville retfærdiggøre Conrad. Indsatsen: chokoladekopier af Nobelmedaljen, kun tilgængelig på Nobelmuseet i Sverige.
Den 4. juli 2012 tabte Conrad væddemålet, da fysikere rapporterede, at LHC havde opdaget en ny partikel, der ligner den længe søgte Higgs-boson - en opdagelse, der gav genlyd i hele fysikverdenen. Da nyheden kom, var Conrad på Fermi National Accelerator Laboratory uden for Chicago, midt i et eksperiment. Hun hyrede en ven fra Stockholm Universitet til at købe chokoladerne, som blev fragtet til New York af en besøgende fysiker fra Columbia University og derefter til Chicago af en postdoc på vej til Fermilab. Conrad fløj dem derefter tilbage til Cambridge på vej til en konference og efterlod 10 uberørte, usmeltede chokolade Nobels med sin søster, som leverede dem til Wilczeks MIT-kontor.
Det New York Times indeholdt væddemålet i en lille opskrift sammen med en tegneserie, der skildrer den byzantinske afvejning - en indrammet kopi af hvilken hænger på Conrads MIT-kontorvæg. Hun væddede på, at Higgs ikke ville eksistere i de energier, som LHC kunne sondere, forklarer hun, fordi det var så meget bedre end Higgs, der eksisterede [der], efter min mening.
Med andre ord, ikke at finde Higgs-bosonen, hvor så mange fysikere forventede det, ville have afsløret en seismisk revne i standardmodellen, en teori som fysiksamfundet har stolet på i årtier for at beskrive de grundlæggende kræfter og partikler i universet. Sådan en teoretisk rystelse ville have afsløret en verden af nye fysiske ukendte.
Cassandra Klos; Hår og makeup af Laura Dillon
Det er en partikel, hvis personlighed jeg godt kan lide; det er en meget selvstændig partikel.
Jeg synes ikke, vores standardmodel giver særlig mening, siger Conrad. Det passer rigtig godt sammen: Du kan tage stykker af det og forudsige andre stykker af det, hvilket er en virkelig imponerende ting. Og alligevel … [det inkluderer] værdier, vi ikke kan forklare. Jeg er overbevist om, at dette ikke er hele historien. Og jeg er virkelig interesseret i at rode rundt for at finde ud af, hvad hele historien er.
Conrad, der kom til MIT's fysikfakultet i 2008, har brugt sin karriere på at stikke ind i unormale eksperimentelle resultater, som andre enten har tilbagevist eller uden tvivl accepteret som fakta. Det, jeg finder mest overbevisende, er, når et eksperiment har set noget interessant, og jeg vil finde ud af: begik de en fejl, eller fortæller naturen os faktisk noget nyt? hun siger. Det er for mig det sjoveste.
Den fascination af anomalier har ført hende på jagt efter en partikel, der er langt mere undvigende end Higgs-bosonen. Og hvis hun finder det, vil hun virkelig vende fysikkens standardmodel på hovedet.
Neutrino jæger
I midten af 1990'erne rapporterede fysikere ved Los Alamos National Laboratory i New Mexico et uventet og stadig kontroversielt signal i Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND). Detektoren er i det væsentlige designet til at tælle neutrinoer - uendeligt små, næsten uopdagelige partikler, der menes at overstige alle universets almindelige stofpartikler, såsom elektroner og neutroner, med en milliard til en. På trods af deres udbredelse kaldes neutrinoer ofte spøgelsesagtige, fordi de er djævelsk svære at måle: Udover at være ekstremt små har de ingen ladning, så de interagerer meget sjældent med almindeligt stof og kan strømme gennem hver celle i vores krop - selv gennem tusindvis af tons af granit og stål - uden at pjuske et eneste molekyle.
LSND består af en tank på størrelse med en bybus, fyldt med mineralolie, og er designet til at modtage en stråle af neutrinoer fra en nærliggende accelerator. Lysdetektorer, der beklæder tanken, optager små glimt produceret af indkommende neutrinoer, der smadrer ind i kulstofkerner i olien, som er en naturlig scintillator - det vil sige, den bliver selvlysende, når den exciteres af ioniserende stråling. Mønstret og timingen af interaktioner kan fortælle videnskabsmænd noget om den type neutrinoer, der strømmede gennem tanken.
Ifølge standardmodellen skulle neutrinoer eksistere i tre varianter eller smagsvarianter - en elektronneutrino, en myonneutrino og en tau-neutrino. Imidlertid rapporterede fysikere i 1994, at LSND havde talt flere elektronneutrinoer end forudsagt. Fysikerne fremsætter en chokerende teori: at dette kan forklares ved eksistensen af en helt ny partikel, en steril neutrino, som kun interagerer med tyngdekraften og slet ikke med almindeligt stof.
Resultaterne blev mødt med intens skepsis. Hvis den sterile neutrino fandtes, ville det indikere et fænomen, som standardmodellen ikke kan forklare. Det kunne også hjælpe med at forklare mørkt stof, som udgør omkring en tredjedel af universets stof, men ikke udsender eller reflekterer lys. Mens andre børstede resultaterne ud som en fejl, der må have en rationel forklaring i overensstemmelse med fysikkens etablerede regler, tog Conrad anomalien som en mulighed.
Kort forinden havde hun afsluttet sit kandidatarbejde i højenergifysik på Harvard University. Næsten alle, hun kendte inden for sit felt, var på vej til at slutte sig til store samarbejder af forskere, der arbejder med partikelacceleratorer for at søge efter topkvarken, den mest massive af alle elementarpartikler forudsagt af standardmodellen, som endnu ikke var blevet opdaget. Conrad, der gik imod strømmen, havde besluttet at slå til i jagten på den sterile neutrino og startede en postdoc ved Columbia University i 1993.
Jeg kan huske, at jeg tog denne beslutning i mit liv og fik en kollega til at sige: 'Janet, du er for god til at gøre det,' siger Conrad. Men det er en partikel, hvis personlighed jeg godt kan lide; det er en meget selvstændig partikel.
I 1995 sluttede Conrad sig til fysikfakultetet i Columbia og begyndte at bygge sin forskningsgruppe. Hun plantede også frøene til en ny partikeldetektor designet specifikt til at bevise eller modbevise LSND-resultaterne: Mini Booster Neutrino Experiment eller MiniBooNE. Hendes idé var at sende stråler af neutrinoer ned i en 500 meter lang tunnel ind i en enorm sfærisk tank, omkring 12 meter i diameter, foret med 1.200 lyssensorer og fyldt med 800 tons mineralolie. Selvom de sjældent interagerer med andet stof, ville neutrinoer, der tilfældigvis kolliderede med et kulstofatom i mineralolien, efterlade energispor, hvilket gør det muligt at identificere deres smag. Neutrinoer er faktisk kendt for at svinge fra en smag til en anden, når de bevæger sig gennem rummet, men så længe de svinger mellem de tre standardsmag, bør det samlede antal forblive stabilt. Et dyk i totalen tyder på, at nogle er forvandlet til sterile neutrinoer, som er endnu sværere at opdage; en stigning i totalen ville tyde på, at nogle sterile neutrinoer er forvandlet til de andre smagsstoffer. Ved at tælle typen og antallet af neutrinoer MiniBooNE detekteret ved høje energier, kunne Conrad og hendes team lede efter tegn på underlige, uforudsete overskud, i overensstemmelse med LSND's resultater ved lave energier.
Conrad sikrede sig finansiering til at bygge detektoren ved Fermilab, hvor Booster - en partikelaccelerator med en omkreds på 474 meter - ville producere de neutrinoer, der skulle analyseres. I 2007 rapporterede hun og et udvidet MiniBooNE-samarbejde deres første resultater: der så ikke ud til at være et overskud af elektronneutrinoer, i det mindste i de høje energiområder, som LSND-resultaterne ved lave energiområder forudsagde. Disse første resultater så ud til at modbevise eksistensen af en fjerde, steril neutrino. Men MiniBooNE registrerede et mystisk overskud af elektronneutrinoer ved lavere energier - et fund, som forskerne ikke kunne forklare.
Cassandra Klos
Jagten på den sterile neutrino er langt fra slut, da flere eksperimenter har vist modstridende resultater. En kilde til disse resultater er IceCube Neutrino Observatory, der er baseret på Amundsen-Scott South Pole Station. IceCube består af mere end 5.000 lyssensorer, hængt i lodrette strenge, der strækker sig mere end 2.450 meter ned i den antarktiske is. Detektoren er designet til at opfange spor af neutrinoer, der ikke stammer fra acceleratorer på Jorden, men fra ekstreme kilder i kosmos, såsom kerner af eksploderende stjerner og centre af aktive galakser. Når de passerer gennem is, producerer de myoner, elektrisk ladede sekundære partikler, der udsender lys. Ved at analysere lyset, der opfanges af IceCubes sensorer, lader forskerne tælle neutrinoerne og bestemme vinklen, hvormed de passerer gennem isen. Conrad er blandt 300 videnskabsmænd, der leder efter tegn på sterile neutrinoer, sammen med andre neutrino-relaterede fænomener, i partiklerne, der strømmer gennem detektoren. (I september 2017 sporede de for eksempel en højenergisk kosmisk neutrino til dens kilde, en blazar omkring 3,7 milliarder lysår væk.)
I 2016 kom IceCubes søgen efter den sterile neutrino tom: Forskere havde ikke fundet noget tegn på partiklen blandt 100.000 neutrinohændelser, der blev opfanget af detektoren. De konkluderede med 99 procents sikkerhed, at partiklen ikke eksisterer i det område, de kunne udforske.
Og alligevel er der stadig en chance for, at det er derude. I juni meddelte Conrad og hendes MiniBooNE-kolleger, at eksperimentet igen havde opdaget et overskud af elektronneutrinoer i lavenergiområdet, og denne gang var det klart, at resultaterne ikke var et statistisk indslag, men et sandsynligt tegn på noget ud over de tre hovedneutrinoer. smag.
Med forslaget om beviser for sterile neutrinoer har hun slynget en bombe ind i emnet, og nu må vi se, om det eksploderer, siger Wilczek. Hvis hendes indikation holder stik, vil det ryste nogle af vores ideer om, hvordan man opnår en samlet teori om de grundlæggende kræfter. Det vil betyde, at vi ikke er så tæt på at løse problemet, som nogle af os tror, vi er.
Det er ikke den sterile neutrino, vi ledte efter, men det kan være en alligevel, siger Conrad om de nye resultater. Og det er et tydeligt tegn på, at wow, det er noget, vi ikke forstår, hvilket er et sjovt, frustrerende sted at være.
Conrad og hendes gruppe står i spidsen for en voksende jagt. Vi var virkelig derude i det yderste af grænsen, siger hun. Ingen brød sig om os; vi var i vores eget hjørne. Og efterhånden som vi og andre eksperimenter har taget flere data, og der er flere signaler, der ser ud til, at der kunne være en ekstra neutrino, er folk blevet meget mere interesserede.
Nytænkning af partikelacceleratorer
Kort efter MiniBooNE rapporterede sine første resultater i 2007, forlod Conrad Columbia University og sluttede sig til MIT-fakultetet.
At skifte job nu og da er ikke en dårlig ting, men det er normalt ikke, hvad fastansatte fakulteter gør, siger hun. Men en del af grunden til, at folk skifter job, er, fordi det giver dem ny kreativ indsigt. Og det er virkelig, hvad der skete for mig.
I MIT's fysikafdeling fandt Conrad en bikube af teoretiske og eksperimentelle ideer. Og da hun flyttede ind på sit kontor i hovedkorridoren af MIT's Laboratory for Nuclear Science, begyndte hun at udvikle en partikelaccelerator i rumstørrelse.
Neutrino-eksperimenter havde altid krævet enorme acceleratorer for at få protoner tæt på lysets hastighed, på hvilket tidspunkt partiklerne kunne producere nok neutrinoer til at detektorer som MiniBooNE kunne analysere. Neutrino-eksperimenter og partikelfysik generelt er dybest set blevet større og større, siger Conrad. Vi tager den samme teknologi, som vi allerede har, og vi bliver bare ved med at udvide og multiplicere den.
I stedet for at gå længere i den retning besluttede Conrad at lede efter måder at bygge en partikelaccelerator lige så kraftig som dem, der strakte sig over flere kilometer i en brøkdel af rummet. Mindre acceleratorer, ræsonnerede hun, kunne bygges billigt og placeres i nærheden af enhver stor neutrino-detektor, hvad enten det er midt på en prærie, såsom ved Fermilab, eller dybt under bjergene.
Et design begyndte at tage form, efter at hun deltog i et foredrag om cyklotroner - apparater i rumstørrelse, der kaster ladede partikler ud fra deres centrum via et magnetfelt og accelererer dem langs radiofrekvensbølger, ligesom surfere rider på havbølger.
Det er en sand MIT-historie i den forstand, at jeg sad her og arbejdede væk, havde for meget at lave, og nogen sagde: ’Vil du gå over for at høre om denne nye cyklotron?’’ husker Conrad. Så jeg gik, og sad der i snakken, og jeg tænkte: 'Det er mine drømmes accelerator.'
Siden 1930'erne er cyklotroner blevet brugt til at producere protonstråler til eksperimenter i kernefysik. Men antallet af protoner, de kunne accelerere, var begrænset, og efterhånden som større, kraftigere acceleratorer kom på banen, blev cyklotroner genbrugt til at spinne op protonstråler med det formål at dræbe kræftsvulster. Conrad ledte efter måder at øge antallet af protoner, som en cyklotron kan accelerere, og hun fandt en løsning i brintmolekylet H2+, som er lavet af to protoner, der holdes sammen af en elektron. Hvis disse brintmolekyler blev pumpet ind i en cyklotron, ville deres elektroner i det væsentlige flyve væk og efterlade to protoner for hvert molekyle - hvilket betyder, at dobbelt så mange kunne være tilgængelige til at producere neutrinoer og andre eksotiske partikler.
Hun og hendes elever bygger i øjeblikket en cyklotronaccelerator på MIT, som hun har døbt IsoDAR, til isotophenfald i hvile, den proces, hvorved cyklotronens protoner henfalder til neutrinoer. Når mini-acceleratoren først er bygget – ideelt set i 2022, hvis alt går vel – forventes miniacceleratoren at passe ind i et område på størrelse med en rummelig stue. Hun håber også at bygge en lidt større, mere kraftfuld version, Daedalus, som stadig ville være en brøkdel så stor som nuværende neutrino-genererende acceleratorer - en størrelse, der nemt kunne passe ind i MIT-kuplen. Hvis disse små acceleratorer blev placeret ved siden af nogle af verdens mest følsomme detektorer, mener Conrad, kunne de i høj grad fremme søgningen efter den sterile neutrino.
De kan gå en størrelsesorden længere i at udforske rummet for sterile neutrinoer sammenlignet med ethvert andet eksperiment i dag, siger hun. For at kunne gøre det, prøver vi at tænke meget anderledes.
En selvstændig streak
Conrad vil være den første til at indrømme, at hun ikke er din gennemsnitlige partikelfysiker. Især tidligt i sin karriere ville hun finde sig selv en af få kvinder, der deltog i seminarer og konferencer.
Jeg ville ikke være i det her felt, hvis jeg ikke var okay at være den eneste kvinde nogle steder, siger hun. Der er en vis fordel ved at være kvinde i den forstand, at du tydeligvis allerede er anderledes. Du er ikke standardmodelfysikeren.
Dette kommer især til udtryk i Conrads foredrag ved møder og konferencer, hvor hun ofte med glæde vil tilskrive personligheder til bestemte elementarpartikler, og sammenligne kvarker – som kan være så høje, at de skjuler ethvert andet partikelsignal – med at betyde piger og de stille, altid tilstedeværende. neutrino til nabopigen.
Lindley Winslow, en assisterende professor i fysik ved MIT, husker at have set Conrad tale for første gang, da hun deltog i et årligt fysikmøde som college-junior. Det var virkelig inspirerende at se, husker Winslow. Ikke alene var det en kvinde, der holdt en tale, men hun var også fri for at være sød. Og hun havde det sjovt med det, og hun gjorde det i høj grad som kvinde, ikke som en kvinde, der udgav sig for at være en mand.
Conrad rekrutterede til sidst Winslow som sin første postdoc ved MIT og har arbejdet hårdt for at tiltrække andre kvinder til MITs fysikafdeling, både på kandidat- og fakultetsniveau. Kvinder udgjorde kun 13,7 procent af instituttets fysik-kandidatstuderende i 2007, men som leder af instituttets optagelsesproces har Conrad været med til at øge det.
Jeg er utrolig stolt af, at vi er 23 procent kvinder i denne næste klasse, siger hun. Mit store håb er, at vi kommer op på 33 pct.
På fakultetsniveau ser Conrad en større udfordring. MIT's fysikafdeling - en af de største i landet - har kun 12 kvinder på sit fakultet på omkring 100, hvoraf fire kom til i løbet af de sidste par år.
Vi er gået fra otte til 12 - det er en stor brøkdelstigning, siger hun. Men ærligt talt er dette ret langt bagefter [andre fysikprogrammer]. Så hun arbejder på at øge det antal og tjekker jævnligt ind hos kvinderne på fysikfakultetet nu, som hun siger er villige til at gå ud og prøve ting og ikke er bange for at falde og tage sig selv op igen.
Denne uafhængige streak er noget, Conrad leder efter hos de studerende, der vil slutte sig til hendes forskningsgruppe. Det er til dels, fordi hun gør det til et punkt at sende sine elever direkte til de steder, hvor neutrino-eksperimenter er placeret, såsom Fermilab, hvor videnskabsmænd driver MiniBooNE og MicroBooNE, og Madison, Wisconsin, hvor de modtager og analyserer IceCube-data.
Hvis de er på deres lille ø her, laver de måske et godt stykke arbejde, men folk ved det ikke rigtigt, siger Conrad. Det er meget vigtigt at være der og være central og være en af de nøglepersoner, der er meget synlige. Og det giver dig et meget bredere syn på verden.
Conrad forsøger sig selv at være til stede så meget som muligt ved sine eksperimenter, især på Fermilab, hvor hun rejser så ofte, at hun og hendes mand har beholdt et andet hus i Illinois, siden Conrad var en kandidatstuderende. Jeg går der så ofte, jeg kan, og skyper min gruppe hele tiden, siger hun. De får tusind e-mails fra mig i løbet af en weekend, for min vane er at lægge en tanke ind – så udvikler tanken sig efter en time, og jeg sender endnu en e-mail. Så de vil komme tilbage og være ligesom, 'Omigod'.
Faktisk synes Conrads liv at være optaget af fysik, og det er heldigvis. Selvom hun godt kan lide havearbejde og plejede at hjælpe sin far med at opdrætte mestergeorginer, holder hun sig i disse dage til at dyrke margueritter med lav vedligeholdelse. Jeg har ikke tiden til at få en georgine til at se ud, som jeg gerne vil have den, siger hun, og jeg vil ikke have lurvede georginer.
For Conrad er fysik ikke kun hendes job, men hendes hobby - altopslugende og frem for alt sjovt. Så hun fortsætter med at lede jagten på neutrinoanomalier og samle sine kolleger til at deltage i forfølgelsen. Efter at have bygget sagen om, at det er muligt, at alle disse hints stemmer overens, siger Winslow, har Conrad overbevist samfundet om, at det er afgørende at fortsætte søgningen for enten at bekræfte eller afkræfte eksistensen af sterile neutrinoer. Med alle, der elsker noget så meget, ønsker du ikke at komme i vejen, siger Winslow. Vi skal ud og kigge.
Sådan ser du en neutrino
I 1960'erne udviklede forskere boblekamre til at studere den undvigende neutrino. Når en neutrino kolliderer med en kerne, producerer den ladede partikler. Hvis dette sker inde i et boblekammer, som er fyldt med væske under tryk, efterlader de ladede partikler et spor af frigjorte elektroner, når de rejser gennem væsken. Når væsken fordamper omkring disse elektroner, dannes mikroskopiske bobler, der dokumenterer kollisionsstedet og partiklernes veje. Når kammerets tryk slippes, kan boblerne udvide sig, indtil de er store nok til at blive fotograferet. Selvom sådanne billeder er smukt detaljerede, er processen med at tage dem tids- og arbejdskrævende.
Janet Conrad og flere kolleger havde en idé til at bygge en detektor, der kunne indsamle digitale optegnelser af neutrinoer med lignende præcision, men meget større effektivitet. Hun blev et stiftende medlem af en gruppe af samarbejdspartnere, der designede og byggede den 170 ton store MicroBooNE neutrino-detektor, som begyndte at optage neutrinoer genereret af Fermilabs Booster-accelerator i 2015. Når neutrinoer kommer ind i MicroBooNEs højspændingsfeltbur, som er fyldt med flydende argon , interagerer de med argon og skaber ladede partikler. Når disse ladede partikler bevæger sig gennem detektoren, frigør de elektroner i argon, hvilket producerer et ioniseringsspor. De ladede partikler exciterer også argon og producerer lys.
Spor af elektroner, der er frigjort, efter at en neutrino har kollideret med en kerne, er afbildet i et boblekammerfotografi (til venstre) og et digitalt MicroBooNE-billede (til højre). MicroBooNEs fotomultiplikatorrør (nedenfor) står klar til at detektere lys produceret af ladede partikler skabt af en neutrinokollision.
De frigjorte elektroner driver til guldbelagte ledninger installeret på lavspændingssiden af feltburet. Når ekstremt følsomme lysdetektorer kendt som kryogene fotomultiplikatorrør registrerer det medfølgende lys — indikerer, at elektronerne driver til ledningerne — hver elektrons ladning registreres. Disse data kan bruges til at rekonstruere et 3D-billede af neutrinoens vej.
Udlånt af Janet CONrad
MicroBooNE kan optage en million gange så mange neutrinohændelser som et boblekammer på samme tid. Og deep learning kan bruges til at analysere det store antal digitale billeder, det producerer. Når du søger efter beviser for en aldrig før set variant af en allerede undvigende partikel, er evnen til at indsamle og analysere enorme mængder data afgørende.