Renovatie kan een revolutie teweegbrengen in de natuurkunde

Diep in de aarde, midden in de Alpen, kunnen wetenschappers hun enthousiasme nauwelijks bedwingen.

Ze fluisteren over ontdekkingen die ons begrip van het universum fundamenteel zullen veranderen.

“Ik ben op zoek naar de vijfde kracht sinds ik een deeltjesfysicus was”, zegt dr. Sam Harper. “Misschien is dit het jaar.”

De afgelopen 20 jaar heeft Sam geprobeerd bewijs te vinden van… Vijfde natuurkrachtsamen met zwaartekracht, elektromagnetisme en twee kernkrachten zijn de vier die natuurkundigen al kennen.

Hij vestigt zijn hoop op een ingrijpende renovatie van de Large Hadron Collider. Het is ‘s werelds meest geavanceerde deeltjesversneller – een gigantische machine die atomen samensmelt om ze uit elkaar te halen en te ontdekken wat erin zit.

Het is verder verbeterd in een upgrade van drie jaar. De instrumenten zijn gevoeliger, waardoor onderzoekers de botsing van deeltjes vanuit atomen met een hogere resolutie kunnen bestuderen; De software is geoptimaliseerd zodat het gemiddeld 30 miljoen keer per seconde gegevens kan opnemen; En de bundels zijn smaller, wat het aantal botsingen aanzienlijk verhoogt.

Wat dit allemaal betekent, is dat er nu de beste kans ooit is dat de LHC subatomaire deeltjes zal vinden die volledig nieuw zijn voor de wetenschap. De hoop is om ontdekkingen te doen die de grootste revolutie in de natuurkunde in honderd jaar zullen ontketenen.

Behalve dat ze geloven dat ze een nieuwe vijfde natuurkracht kunnen vinden, hopen onderzoekers bewijs te vinden van een onzichtbare substantie die het grootste deel van het universum uitmaakt, donkere materie genaamd.

Klik hier voor onderzoekers om in te dienen. Velen speculeerden dat de LHC al bewijs had gevonden voor een nieuwe wereld van fysica.

De LHC maakt deel uit van de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, beter bekend als Cern, aan de Zwitsers-Franse grens, net buiten Genève. Als je dichterbij komt, lijkt het een onopvallend complex te zijn – blokken kantoorgebouwen en slaapzalen uit de jaren vijftig, die zich uitstrekken over een terrein van twee en een halve vierkante mijl met verzorgde gazons en kronkelende wegen, vernoemd naar vooraanstaande natuurkundigen.

Het verhaal gaat verder

Maar 100 meter onder de grond is het een kathedraal van de wetenschap. Het slaagde erin om in het hart van de LHC te komen, bij een van de gigantische detectoren die een van de grootste ontdekkingen van onze generatie deed, het Higgs Boson, een subatomair deeltje zonder hetwelk veel andere deeltjes waarvan we weten dat ze geen massa zouden hebben. De Atlas-detector is 46 meter lang en 25 meter hoog. Het is een van de vier instrumenten van de LHC die deeltjes analyseert die door de LHC zijn gemaakt.

Het is 7.000 ton metaal, silicium, elektronica en draad, allemaal ingewikkeld en subtiel gecombineerd. Het is iets van grote schoonheid. “Majesteit” is het woord dat wordt gebruikt door Dr. Marcela Bona van de Queen Mary University of London, die een van de wetenschappers is die de Atlas-detector gebruikt in haar experimenten.

Ik sta versteld van de show, terwijl Marcella me vertelt over de verbeteringen die aan de detector zijn aangebracht tijdens de drie jaar durende stopzetting van de Large Hadron Collider.

“Het zal twee tot drie keer beter zijn, in termen van het vermogen van ons experiment om gegevens te ontdekken, verzamelen en analyseren”, vertelde ze me. “De hele bètaserie is geüpgraded.”

Te midden van het gekletter en lawaai van de ingenieurs die klaar waren met het opknappen van de Atlas, kan ik me moeilijk voorstellen dat er zoiets groots nodig zou zijn om deeltjes te detecteren die veel kleiner zijn dan een atoom.

De LHC bevat vier van deze reagentia, die elk verschillende experimenten uitvoeren. In het centrum van deze gigantische detectoren vallen deeltjes die bekend staan ​​als protonen, die de kern van atomen vormen, tegen elkaar nadat ze zijn versneld tot bijna de lichtsnelheid rond een ring met een omtrek van 27 mijl.

Door de botsingen ontstaan ​​kleinere deeltjes die in verschillende richtingen vliegen. Hun pad en energie worden gevolgd door detectorsystemen, en het is dit pad dat wetenschappers vertelt wat voor soort deeltje het is, in plaats van de soorten en kenmerken van het dier te bepalen aan de hand van zijn voetafdrukken.

Bijna alle kleinere deeltjes die het gevolg zijn van botsingen zijn al bekend bij de wetenschap. Wat de natuurkundigen hier zoeken, is bewijs van nieuwe deeltjes, die kunnen ontstaan ​​door botsingen, maar waarvan wordt aangenomen dat ze uiterst zeldzaam zijn.

Natuurkundigen geloven dat deze onontdekte deeltjes de sleutel zijn tot het openen van een geheel nieuwe kijk op het universum. Hun ontdekking zal de grootste verschuiving in het fysieke denken teweegbrengen sinds Einsteins relativiteitstheorieën.

Ingenieurs hebben de afgelopen drie jaar de LHC geüpgraded om meer crashes te veroorzaken in een kortere tijd. Een refurbished machine heeft een grotere kans om nieuwe deeltjes aan te maken en te vinden die zelden worden aangemaakt. Veel van dit werk werd geleid door Dr. Rhodri Jones, die verrukt is van zijn titel ‘Head of Beams’.

Ik ontmoette Rodri in de magneetassemblageruimte van CERN, die lijkt op een enorme vliegtuighangar. Hier regenereren ingenieurs 15 meter lange cilindrische magneten die bundels deeltjes rond de versneller buigen. Dit is nauwkeurig werk met absoluut geen foutmarge.

Rodri vertelde me dat zijn team de bundels smaller heeft gemaakt, zodat meer deeltjes in een kleiner gebied worden samengeperst. Dit vergroot de kans dat deeltjes met elkaar botsen enorm.

“We kijken naar zeer zeldzame processen, dus hoe meer botsingen er zijn, hoe groter de kans om te detecteren wat er echt aan de hand is en kleine afwijkingen te zien”, zegt hij.

“De optimalisatie in de straal betekent dat voor alle natuurkunde die we hebben gedaan sinds het begin van de jaren dat de LHC in gebruik is, we in de komende drie jaar hetzelfde aantal botsingen zullen hebben als we deed in die 10 jaar.”

Een andere belangrijke verbetering was het vastleggen en verwerken van gegevens van botsingen. Bij de Regenerated Large Hadron Collider worden gegevens van elk van de vier detectoren verzameld met een snelheid van 30 miljoen keer per seconde borrelen. Dit is natuurlijk te veel voor de menselijke geest om te begrijpen, maar elke enkele botsing kan belangrijk bewijs bevatten van een van de nieuwe deeltjes waar wetenschappers naar op zoek zijn.

De LHC-software is geüpgraded zodat het automatisch alle verzamelde gegevens doorzoekt en, met behulp van de nieuwste kunstmatige-intelligentietechnieken, metingen identificeert en opslaat die van potentieel belang kunnen zijn voor wetenschappers voor analyse.

De huidige theorie van de subatomaire fysica wordt het standaardmodel genoemd. Hoewel het een niet-fictieve naam heeft, was de theorie briljant in het uitleggen hoe subatomaire deeltjes samenkomen om de atomen te vormen die de wereld om ons heen vormen. Het Standaardmodel legt ook uit hoe deeltjes op elkaar inwerken via natuurkrachten, zoals elektromagnetisme en de kernkrachten die componenten van atomen bij elkaar houden.

Maar het standaardmodel kan niet verklaren hoe zwaartekracht werkt, noch kan het het gedrag verklaren van de onzichtbare delen van het universum, die natuurkundigen donkere materie en donkere energie noemen. Wetenschappers weten dat deze onzichtbare deeltjes en krachten bestaan ​​uit de beweging van sterrenstelsels door de ruimte – en samen vormen ze 95 procent van het universum. Maar niemand heeft hun bestaan ​​kunnen bewijzen en bepalen wat ze zijn.

De LHC is gebouwd om deze deeltjes te ontdekken die mogelijk verklaren hoeveel van het universum werkt. Dr. Marcella Bona vertelt me ​​dat er nu echte hoop is dat de upgrades dit mogelijk zullen maken.

“Het is echt een spannende tijd”, zei ze opgewekt. “De afgelopen drie jaar zijn we bezig geweest met het moderniseren van de machine. Nu zijn we er klaar voor.”

Marcela stond in vuur en vlam van passie vanaf het moment dat ik haar ontmoette. Maar haar opwinding stijgt naar een niveau als ik haar vraag of de ontdekking van een donkere materiedeeltje een van de grootste ontdekkingen in de natuurkunde zal zijn.

“Ik zou ja zeggen,” lacht ze, met grote ogen, “ja zeker, dat zou ongelooflijk zijn”, zegt ze, terwijl ze zichzelf even laat genieten van de zeer reële mogelijkheid dat dat in de komende maanden zal gebeuren.

Niet minder enthousiast is Dr. Sam Harper, de wetenschapper die de afgelopen twee decennia onderzoek heeft gedaan naar de “vijfde kracht” van de natuur. Het werkt bij een andere van de vier detectoren van de LHC, de CMS, aan de andere kant van het Cern-complex.

Resultaten van de LHC voordat deze regeneratie uitschakelde en van vele andere deeltjesversnellers over de hele wereld hebben verleidelijke hints gevonden van deze vijfde kracht. Maar met de extra kracht van de Large Hadron Collider, vertelt Sam me dat zijn wetenschappelijke zoektocht binnenkort zal eindigen.

Net als Marcella bouwt de opwinding in zijn stem op wanneer hij hardop zegt wat in wetenschappelijke kringen niet officieel kan worden gezegd totdat er sluitend bewijs is.

“Dit zou het veld omdraaien. Het zou de grootste ontdekking zijn van de Large Hadron Collider, de grootste ontdekking in de deeltjesfysica sinds…”

Sam zweeg even en worstelde om de woorden te vinden.

‘Je zult groter zijn dan de Higgs.’

Cern viert later dit jaar de 10e verjaardag van de ontdekking van het Higgs-deeltje. Maar de festiviteiten vestigen de aandacht op het feit dat de door de overheid gefinancierde LHC van £ 3,6 miljard, met jaarlijkse bedrijfskosten van £ 750.000, sindsdien geen echt grote ontdekking heeft gedaan. Velen hadden gehoopt, en sommigen verwachtten, dat de krachtigste deeltjesversneller tot nu toe donkere energie, een vijfde kracht of een typisch variabel deeltje zou hebben ontdekt.

Er wordt veel gereden op de resultaten die onderzoekers de komende jaren behalen, omdat Cern binnenkort voorstellen zal indienen voor een grotere hadron-collider. Het meest ambitieuze plan, de Future Circular Collider (FCC), zou een omtrek van 60 mijl hebben, die onder het meer van Genève zou lopen.

De kosten van de FCC kunnen 20 miljard pond bedragen. De huidige machine heeft nog minstens tien jaar te gaan, en vele andere verbeteringen die hem nog meer kracht zullen geven om te proberen deeltjes te ontdekken die de fysica voor altijd zullen veranderen. Maar de wetenschappelijke leiders van Cern zullen binnenkort hun pleidooi houden voor de volgende fase van experimenten met deeltjesfysica. De regeringen van de lidstaten overtuigen om zich in te zetten voor een aanzienlijke verhoging van de financiering zal moeilijker zijn als de laatste upgrade geen idee geeft van de nieuwe deeltjes in de komende twee of drie jaar.

Dr. Sam Harper geeft toe dat hij “een beetje doodsbang” was toen de LHC aan zijn volgende reeks experimenten begon.

“We doen heel hard ons best om alles bij elkaar te krijgen en we werken er hard aan om ervoor te zorgen dat we geen potentiële nieuwe natuurkunde mislopen. Want het ergste ter wereld is dat er nieuwe natuurkunde is, en we’ zal hij-zij niet vinden.”

Maar het overwinnen van een giftige angst maakt me enthousiast over wat de komende jaren zullen brengen.

“Wat alle deeltjesfysici drijft, is dat we het onbekende willen ontdekken en daarom zijn dingen als de vijfde kracht en donkere materie zo opwindend omdat we geen idee hebben wat het zou kunnen zijn of dat het bestaat en we willen dat echt vinden uit.”

Wat is mogelijk de eerste scheur in het standaardmodel die eerder deze maand werd ontdekt door onderzoekers van Fermilab, het Amerikaanse equivalent van de Large Hadron Collider. In de komende maanden en jaren zullen LHC-onderzoekers hun bevindingen proberen te bevestigen en meer scheuren in de huidige theorie vinden totdat deze instort om plaats te maken voor een nieuwe, verenigde en completere theorie over hoe het universum werkt.

volg klimop op Twitter