Protonen verpletteren in de kathedralen van de wetenschap

Het pittoreske Frans-Zwitserse grensgebied tussen de Alpen en het Jura-gebergte trekt al lang skiërs en wandelaars van over de hele wereld. Maar op 30 maart kwamen natuurkundigen en journalisten samen in deze vallei, in de buurt van Genève, erop gebrand om getuige te zijn van de geschiedenis die 100 meter onder de oppervlakte wordt gemaakt.

in opbouw Markus Klute gaf mede MIT-faculteitsleden een rondleiding tijdens de bouw van het CMS (van links: Daniel Freedman, Klute, Christoph Paus en Edward Farhi).

De bezoekers vonden hun weg naar de controlekamer van de Compact Muon Solenoid (CMS), een apparaat dat is ondergebracht in een van de vier enorme ondergrondse grotten van de Large Hadron Collider (fysici noemen ze graag kathedralen van de wetenschap) die verbonden zijn door 27 kilometer tunnels . Met een diameter van 15 meter bij 22 meter lang en een gewicht van 12.500 ton - meer dan de Eiffeltoren - stond de CMS klaar om honderden miljarden protonen naar elkaar toe te sturen door kleine vacuümbuizen met snelheden die de snelheid van het licht benaderen. Toen ze neerstortten, zou het apparaat voor het eerst de precieze positie en energie meten van de deeltjes die door dergelijke botsingen worden geproduceerd, waardoor natuurkundigen een eerste glimp kregen van de onderliggende fysica.

Dit verhaal maakte deel uit van ons septembernummer van 2010

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Tegen lunchtijd zat het CMS-controlecentrum stampvol. Om 12:58 uur volgden de snelheidsmonitoren die de activiteit in de CMS-detector volgen, wat de aanwezigheid van de eerste proton-proton-botsingen onthulde. Seconden later verlichtten de eerste beelden van protoninteracties en de nieuwe deeltjes die ze produceerden de schermen. Gereconstrueerde geladen deeltjes verschenen als felgele stippen met gouden tentakels; energiedeposities werden aangegeven door rode en blauwe rechthoeken van verschillende grootte. Een wild applaus en gejuich barstte los en duurde minuten. Een voelbaar gevoel van opluchting stroomde door de kamer. Vijfentwintig jaar nadat het idee van een Large Hadron Collider bij CERN voor het eerst werd bedacht, en 12 jaar nadat de bouw was begonnen, had de LHC de meest energierijke proton-protonbotsingen ooit bereikt, waarmee een nieuw tijdperk in de deeltjesfysica begon.

Op het hoofdkantoor van CERN gonsden die avond in de restaurants van het LHC-hostlab met discussies over de gebeurtenissen van die dag. Net als de gebruikelijke levendige gesprekken over sneeuwkwaliteit in de Alpen, het WK voetbal en de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van natuurkunde, informatica en techniek, vonden deze uitwisselingen plaats in het Engels op verschillende vaardigheidsniveaus, hoewel een tiental andere talen ook mogelijk waren. gehoord. Het bereiken van de mijlpaal van de eerste botsingen bij zeven teraelektronvolts was reden voor een feestje. Een mislukking op die dag zou heel slecht zijn geweest voor ons veld.

Sinds maart heeft de LHC goed gepresteerd en zijn er talloze botsingen geweest. De eerste waarnemingen van W- en Z-bosongebeurtenissen in LHC-experimenten worden besproken; omdat we de eigenschappen van de bosonen al met zeer hoge precisie hadden gemeten in kleinere detectoren, dienen ze als standaardkaarsen voor uitlijning en kalibratie van de LHC. De eerste top-quarks, de zwaarste bekende elementaire deeltjes, zullen naar verwachting binnenkort verschijnen. Wetenschappers weten al vele jaren over deze deeltjes, maar de natuurkundige gemeenschap is enorm enthousiast over het vooruitzicht om ze uit de eerste hand te zien bij de LHC. En die opwinding zal alleen maar toenemen als we echt nieuwe verschijnselen zien.

Het kan jaren duren voordat we antwoorden vinden op zulke grote vragen als waar de massa van elementaire deeltjes vandaan komt, waaruit de donkere materie die in sterrenstelsels wordt waargenomen bestaat, en of supersymmetrie en de extra dimensies die door de snaartheorie worden voorgesteld, echt bestaan. Maar we komen dichterbij, nu we in staat zijn om op zeer kleine schaal nieuwe massieve deeltjes te creëren en materie te onderzoeken. De resultaten van de LHC-experimenten zullen de agenda bepalen voor toekomstige generaties deeltjesfysici.

Het doel van mijn team bij MIT is om het lang gezochte Higgs-deeltje te vinden, wiens ontdekking informatie zou opleveren over hoe deeltjes massa krijgen. Hoewel het Higgs-deeltje 40 jaar geleden het theoretische landschap binnenkwam, blijft het ongrijpbaar omdat het zelden wordt geproduceerd en onmiddellijk vervalt. De experimentele uitdaging is om de handtekening van zijn vervalproducten te identificeren - een taak die gecompliceerd wordt door het bestaan ​​van andere processen met vergelijkbare handtekeningen. De uitdaging kan worden vergeleken met het vinden van geen speld in een hooiberg, maar eerder een duidelijk stuk hooi. Ik begon hier bijna 12 jaar geleden als student aan te werken, en nu heeft de wetenschappelijke gemeenschap eindelijk de tools in handen om de ontdekking mogelijk te maken. Het is een opwindende tijd om deeltjesfysicus te zijn - en een unieke kans om in het middelpunt van deze opwinding te werken.

Markus Klute is een assistent-professor natuurkunde en leidt het MIT-team dat op zoek is naar het Higgs-deeltje bij de LHC. Ga naar technologyreview.com/LHC om afbeeldingen van het CMS-experiment van 30 maart te bekijken.

zich verstoppen