Vad uppgraderingen ger CERN
Sex år efter upptäckten bekräftar Higgs boson en förutsägelse. Snart kommer en uppgradering till Large Hadron Collider att tillåta CERN-forskare att producera fler av dessa partiklar för att testa standardmodellen för fysik
En ATLAS-kandidathändelse för Higgs-bosonen (H) som sönderfaller till två bottenkvarkar (b), i samband med en W-boson som sönderfaller till en myon (μ) och en neutrino (ν). (Bild: ATLAS/CERN) Skrivet av Rashmi Raniwala & Sudhir Raniwala
josh saviano gift
Sex år efter att Higgs-bosonen upptäcktes vid CERN Large Hadron Collider (LHC), meddelade partikelfysiker förra veckan att de har observerat hur den svårfångade partikeln sönderfaller. Fyndet, presenterat av ATLAS- och CMS-samarbeten, observerade Higgs-bosonen sönderfalla till grundläggande partiklar som kallas bottenkvarkar.
År 2012 validerade den nobelvinnande upptäckten av Higgs-bosonen standardmodellen för fysik, som också förutspår att cirka 60 % av tiden kommer en Higgs-boson att förfalla till ett par bottenkvarkar. Enligt CERN är det avgörande att testa denna förutsägelse eftersom resultatet antingen kommer att ge stöd till standardmodellen - som bygger på idén att Higgsfältet förser kvarkar och andra grundläggande partiklar med massa - eller skaka dess grund och peka på ny fysik.
Higgs-bosonen upptäcktes genom att studera kollisioner av partiklar vid olika energier. Men de varar bara i en zeptosekund, vilket är 0,000000000000000000001 sekunder, så att upptäcka och studera deras egenskaper kräver en otrolig mängd energi och avancerade detektorer. CERN meddelade tidigare i år att det kommer att få en massiv uppgradering, som kommer att vara klar 2026.
Varför studera partiklar?
Partikelfysik undersöker naturen i extrema skalor för att förstå materiens grundläggande beståndsdelar. Precis som grammatik och ordförråd vägleder (och begränsar) vår kommunikation, kommunicerar partiklar med varandra i enlighet med vissa regler som är inbäddade i vad som kallas de 'fyra grundläggande interaktionerna'. Partiklarna och tre av dessa interaktioner beskrivs framgångsrikt genom en enhetlig metod som kallas standardmodellen. SM är ett ramverk som krävde existensen av en partikel som kallas Higgs-bosonen, och ett av huvudsyftena med LHC var att söka efter Higgs-bosonen.
Hur studeras så små partiklar?
Protoner samlas i buntar, accelereras till nästan ljusets hastighet och får dem att kollidera. Många partiklar kommer fram från en sådan kollision, kallad en händelse. De emergenta partiklarna uppvisar ett till synes slumpmässigt mönster men följer underliggande lagar som styr en del av deras beteende. Att studera mönstren i emissionen av dessa partiklar hjälper oss att förstå partiklarnas egenskaper och struktur.
Inledningsvis gav LHC kollisioner med oöverträffade energier som gjorde att vi kunde fokusera på att studera nya territorier. Men nu är det dags att öka upptäcktspotentialen för LHC genom att registrera ett större antal händelser.
(Källa: CERN) Så vad innebär en uppgradering?
Efter att ha upptäckt Higgs-bosonen är det absolut nödvändigt att studera egenskaperna hos den nyupptäckta partikeln och dess effekt på alla andra partiklar. Detta kräver ett stort antal Higgs-bosoner. SM har sina brister, och det finns alternativa modeller som fyller dessa luckor. Giltigheten av dessa och andra modeller som ger ett alternativ till SM kan testas genom att experimentera för att kontrollera deras förutsägelser. Vissa av dessa förutsägelser, inklusive signaler för mörk materia, supersymmetriska partiklar och andra djupa mysterier i naturen är mycket sällsynta, och därför svåra att observera, vilket ytterligare nödvändiggör behovet av en LHC med hög ljusstyrka (HL-LHC).
Föreställ dig att försöka hitta en sällsynt variant av diamanter bland ett mycket stort antal till synes likadana bitar. Tiden det tar att hitta den eftertraktade diamanten beror på antalet bitar som tillhandahålls per tidsenhet för inspektion och tiden det tar för inspektion. För att slutföra denna uppgift snabbare måste vi öka antalet stycken som tillhandahålls och inspektera snabbare. Under processen kan några nya diamantbitar, hittills obemärkta och okända, upptäckas, vilket förändrar vårt perspektiv på sällsynta varianter av diamanter.
När den väl har uppgraderats kommer kollisionsfrekvensen att öka och så kommer sannolikheten för de flesta sällsynta händelser att öka. Dessutom kommer att urskilja egenskaperna hos Higgs-bosonen kräva deras rikliga tillgång. Efter uppgraderingen kan det totala antalet Higgs-bosoner som produceras under ett år vara cirka 5 gånger det antal som produceras för närvarande; och under samma varaktighet kan den totala data som registreras vara mer än 20 gånger.
alicia minshew höjd
Med den föreslagna ljusstyrkan (ett mått på antalet protoner som korsar per ytenhet per tidsenhet) för HL-LHC kommer experimenten att kunna registrera cirka 25 gånger mer data under samma period som för LHC-körning. Strålen i LHC har cirka 2 800 knippen, som var och en innehåller cirka 115 miljarder protoner. HL-LHC kommer att ha cirka 170 miljarder protoner i varje gäng, vilket bidrar till en ökning av ljusstyrkan med en faktor 1,5.
Hur kommer den att uppgraderas?
Protonerna hålls samman i gänget med hjälp av starka magnetfält av speciella slag, bildade med hjälp av fyrpoliga magneter. Att fokusera gruppen till en mindre storlek kräver starkare fält, och därför större strömmar, vilket kräver användning av supraledande kablar. Nyare teknologier och nytt material (Niobium-tenn) kommer att användas för att producera de nödvändiga starka magnetfälten som är 1,5 gånger de nuvarande fälten (8-12 tesla).
Skapandet av långa spolar för sådana fält testas. Ny utrustning kommer att installeras över 1,2 km av den 27 km långa LHC-ringen nära de två stora experimenten (ATLAS och CMS), för att fokusera och klämma ihop klasarna precis innan de korsar.
Hundra meter långa kablar av supraledande material (supraledande länkar) med kapacitet att bära upp till 100 000 ampere kommer att användas för att koppla kraftomvandlarna till acceleratorn. LHC får protonerna från en acceleratorkedja, som också kommer att behöva uppgraderas för att möta kraven på den höga ljusstyrkan.
Eftersom längden på varje klase är några cm, för att öka antalet kollisioner produceras en liten lutning i klasarna strax före kollisionerna för att öka den effektiva överlappningsarean. Detta görs med hjälp av 'krabbhålor'.
Den experimentella partikelfysikgemenskapen i Indien har aktivt deltagit i experimenten ALICE och CMS. HL-LHC kommer att kräva en uppgradering av dessa också. Både designen och tillverkningen av de nya detektorerna och den efterföljande dataanalysen kommer att ha ett betydande bidrag från de indiska forskarna.
Dela Med Dina Vänner:
