Large Hadron Collider wird 10: Hier ist es wichtiger als je zuvor

10 Jahre! Zehn Jahre seit der Inbetriebnahme des Large Hadron Collider (LHC), einer der komplexesten Maschinen, die jemals entwickelt wurden. Der LHC ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt und liegt 100 Meter unter der französischen und schweizerischen Landschaft mit einem Umkreis von 17 Meilen.

Am 10. September 2008 zogen zum ersten Mal Protonen, das Zentrum eines Wasserstoffatoms, um den LHC-Beschleuniger. Die Aufregung war jedoch nur von kurzer Dauer, da am 22. September ein Vorfall stattfand, bei dem mehr als 50 der mehr als 6.000 LHC-Magnete beschädigt wurden. Reparaturen dauerten mehr als ein Jahr, aber im März 2010 begann der LHC mit Protonen zu kollidieren. Der LHC ist das Kronjuwel von CERN, dem nach dem Zweiten Weltkrieg gegründeten europäischen Laboratorium für Teilchenphysik, um die Wissenschaft im kriegszerstörten Europa wieder zu vereinen und wieder aufzubauen. Jetzt führen Wissenschaftler aus sechs Kontinenten und 100 Ländern dort Experimente durch.

Sie fragen sich vielleicht, was der LHC macht und warum es eine große Sache ist. Tolle Fragen. Der LHC kollidiert zwei Protonenstrahlen bei den höchsten Energien, die jemals in einem Labor erreicht wurden. Sechs Experimente rund um den 17-Meilen-Ring untersuchen die Ergebnisse dieser Kollisionen mit massiven Detektoren in unterirdischen Kavernen. Das ist das Was, aber warum? Das Ziel ist es, die Natur der grundlegendsten Bausteine ​​des Universums zu verstehen und wie sie miteinander interagieren. Dies ist eine grundlegende Wissenschaft von grundlegender Bedeutung.

Der LHC hat nicht enttäuscht.Eine der Entdeckungen, die mit dem LHC gemacht wurden, umfasst das lange gefragte Higgs-Boson, das 1964 von Wissenschaftlern vorhergesagt wurde, um Theorien von zwei der grundlegenden Kräfte der Natur zu kombinieren.

Ich arbeite an einem der sechs LHC-Experimente - dem Compact Muon Solenoid-Experiment, mit dem das Higgs-Boson entdeckt und nach Anzeichen bisher unbekannter Teilchen oder Kräfte gesucht werden soll. Meine Institution, die Florida State University, schloss sich 1994 der Zusammenarbeit mit Compact Muon Solenoid an, als ich an einer anderen Schule an einer anderen Schule arbeitete, die an einem anderen Experiment in einem anderen Labor arbeitete. Die Planung für den LHC stammt aus dem Jahr 1984. Der LHC war schwer zu bauen und teuer - 10 Milliarden Euro - und es dauerte 24 Jahre, bis er zum Erfolg kam. Jetzt feiern wir 10 Jahre, seit der LHC seinen Betrieb aufgenommen hat.

Entdeckungen vom LHC

Die bedeutendste Entdeckung, die bisher aus dem LHC kam, ist die Entdeckung des Higgs-Bosons am 4. Juli 2012. Die Ankündigung erfolgte am CERN und begeisterte ein weltweites Publikum. Tatsächlich haben meine Frau und ich es im Web auf unserem großen Fernsehbildschirm in unserem Wohnzimmer gesehen. Da die Ankündigung um 3 Uhr Florida Ortszeit war, gingen wir im IHOP zu Pfannkuchen, um danach zu feiern.

Das Higgs-Boson war das letzte verbliebene Stück des sogenannten Standardmodells der Teilchenphysik. Diese Theorie behandelt alle bekannten fundamentalen Teilchen - 17 davon - und drei der vier Kräfte, durch die sie interagieren, obwohl die Schwerkraft noch nicht eingeschlossen ist. Das Standardmodell ist eine unglaublich gut getestete Theorie. Zwei der sechs Wissenschaftler, die den Teil des Standardmodells entwickelt haben, der das Higgs-Boson vorhersagt, wurden 2013 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Ich werde oft gefragt, warum wir weiterhin Experimente durchführen und Protonen zusammenschlagen, wenn wir das Higgs-Boson bereits entdeckt haben. Haben wir das nicht getan? Nun, es gibt noch viel zu verstehen. Es gibt eine Reihe von Fragen, die das Standardmodell nicht beantwortet. Studien über Galaxien und andere großräumige Strukturen im Universum weisen beispielsweise darauf hin, dass es viel mehr Materie gibt, als wir beobachten. Wir nennen diese dunkle Materie, da wir sie nicht sehen können. Die häufigste Erklärung dafür ist, dass dunkle Materie aus einem unbekannten Teilchen besteht. Physiker hoffen, dass der LHC dieses Rätselpartikel herstellen und untersuchen kann. Das wäre eine erstaunliche Entdeckung.

Erst letzte Woche gaben die Kooperationen zwischen ATLAS und Compact Muon Solenoid die erste Beobachtung bekannt, wie der Higgs-Boson in unterste Quarks zerfällt oder auseinanderbricht. Das Higgs-Boson zerfällt auf viele verschiedene Arten - einige selten, andere häufig. Das Standardmodell gibt Vorhersagen darüber ab, wie oft jede Art von Verfall auftritt. Um das Modell vollständig zu testen, müssen wir alle vorhergesagten Zerfälle beobachten. Unsere jüngste Beobachtung stimmt mit dem Standardmodell überein - ein weiterer Erfolg.

Weitere Fragen, weitere Antworten zu kommen

Es gibt viele andere Rätsel im Universum und wir benötigen möglicherweise neue Theorien der Physik, um solche Phänomene zu erklären - etwa Materie / Antimaterie-Asymmetrie, um zu erklären, warum das Universum mehr Materie als Antimaterie hat, oder das Hierarchieproblem, um zu verstehen, warum Die Schwerkraft ist so viel schwächer als die anderen Kräfte.

Aber für mich ist die Suche nach neuen, unerklärlichen Daten wichtig, weil die Natur jedes Mal, wenn die Physiker glauben, wir hätten alles herausgefunden, eine Überraschung bietet, die zu einem tieferen Verständnis unserer Welt führt.

Der LHC testet weiterhin das Standardmodell der Teilchenphysik. Wissenschaftler lieben es, wenn Theorie mit Daten übereinstimmt. Aber wir lernen normalerweise mehr, wenn sie es nicht tun. Dies bedeutet, dass wir nicht genau verstehen, was passiert. Und das ist für viele von uns das zukünftige Ziel des LHC: Beweise für etwas zu finden, das wir nicht verstehen. Es gibt Tausende von Theorien, die eine neue Physik vorhersagen, die wir nicht beobachtet haben. Welche sind richtig? Wir brauchen eine Entdeckung, um zu erfahren, ob welche richtig sind.

CERN plant, den LHC-Betrieb für lange Zeit fortzusetzen. Wir planen Upgrades des Beschleunigers und der Detektoren, um es bis 2035 durchzulassen. Es ist nicht klar, wer zuerst in Rente geht, ich oder der LHC. Vor zehn Jahren erwarteten wir besorgt die ersten Protonenstrahlen. Jetzt sind wir mit der Untersuchung einer Fülle von Daten beschäftigt und hoffen auf eine Überraschung, die uns auf einen neuen Weg führt. Wir freuen uns auf die nächsten 20 Jahre.

Dieser Artikel wurde ursprünglich von Todd Adams auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.