Historický úspěch při odhalování základních sil vesmíru na Velkém hadronovém urychlovači

Výzkumníci z University of Rochester spolupracující s CMS Collaboration na CERNUdělali jsme významný pokrok v měření elektroslabého směšovacího úhlu, čímž jsme pokročili v pochopení standardního modelu částicové fyziky.

Jejich práce pomáhá vysvětlit základní síly vesmíru, podporované experimenty, jako jsou ty ve Velkém hadronovém urychlovači, které se ponoří do podmínek podobných těm, které nastaly po velký výbuch.

Odhalte vesmírná tajemství

Ve snaze rozluštit tajemství vesmíru se výzkumníci z University of Rochester po desetiletí zapojují do mezinárodní spolupráce v Evropské organizaci pro jaderný výzkum, známé jako CERN.

Na základě svého rozsáhlého zapojení v CERNu, zejména v rámci spolupráce CMS (Compact Muon Solenoid), tým Rochester – vedený Ari Budekem, George E. Buck – nedávný převratný úspěch. Jejich úspěch se zaměřuje na měření elektroslabého směšovacího úhlu, základní součásti Standardního modelu částicové fyziky. Tento model popisuje, jak částice interagují, a přesně předpovídá širokou škálu jevů ve fyzice a astronomii.

„Nedávná měření úhlu směšování elektroslabé síly jsou neuvěřitelně přesná, protože byla vypočítána ze srážek protonů v CERNu, a posouvá pochopení fyziky částic,“ říká Budick.

a Spolupráce v redakčním systému CMS Collaboration sdružuje členy komunity částicové fyziky z celého světa, aby lépe porozuměli základním zákonům vesmíru. Kromě Bodka zahrnuje skupina Rochester v projektu CMS Collaboration hlavní řešitelé Regina DeMina, profesorka fyziky, a Aran Garcia Bellido, docent fyziky, spolu s postdoktorandskými výzkumnými pracovníky a postgraduálními a vysokoškolskými studenty.

Výzkumníci z University of Rochester mají za sebou dlouhou historii práce v CERNu jako součást Compact Muon Solenoid (CMS) Collaboration, včetně hraní klíčových rolí při objevu Higgsova bosonu v roce 2012. Copyright: Samuel Joseph Herzog; Julian Marius Urdan

Odkaz objevů a inovací v CERNu

CERN se nachází v Ženevě ve Švýcarsku a je největší světovou laboratoří částicové fyziky a je známý svými průkopnickými objevy a špičkovými experimenty.

Výzkumníci z Rochesteru mají dlouhou historii práce v CERNu v rámci spolupráce CMS, včetně hraní klíčových rolí v… Objev Higgsova bosonu v roce 2012– Elementární částice, která pomáhá vysvětlit původ hmoty ve vesmíru.

Práce spolupráce zahrnuje sběr a analýzu dat shromážděných z mionového solenoidového detektoru zabudovaného do velkého hadronového urychlovače CERN, největšího a nejvýkonnějšího urychlovače částic na světě. LHC se skládá ze 17 mil dlouhého prstence supravodivých magnetů a urychlovacích struktur vybudovaných pod zemí a táhne se podél hranice mezi Švýcarskem a Francií.

Primárním účelem LHC je prozkoumat základní stavební kameny hmoty a síly, které je řídí. Toho je dosaženo urychlením paprsků protonů nebo iontů na rychlost blízkou rychlosti světla a vzájemnými srážkami při extrémně vysokých energiích. Tyto srážky obnovují podmínky podobné těm, které existovaly milisekundy po velkém třesku, což umožňuje vědcům studovat chování částic v extrémních podmínkách.

Demontáž sjednocených sil

V 19. století vědci zjistili, že různé síly elektřiny a magnetismu jsou vzájemně propojeny: měnící se elektrické pole vytváří magnetické pole a naopak. Tento objev vytvořil základ elektromagnetismu, který popisuje světlo jako vlnu a vysvětluje mnoho jevů v optice, spolu s popisem interakce elektrických a magnetických polí.

Na základě tohoto porozumění fyzici v 60. letech zjistili, že elektromagnetismus souvisí s jinou silou – slabou silou. Slabá síla působí v jádru atomů a je zodpovědná za procesy, jako je radioaktivní rozpad a produkce energie na Slunci. Tento objev vedl k rozvoji elektroslabé teorie, která předpokládá, že elektromagnetismus a slabá síla jsou ve skutečnosti nízkoenergetické projevy sjednocené síly nazývané sjednocená elektroslabá interakce. Klíčové objevy, jako je Higgsův boson, tento koncept potvrdily.

Vývoj v elektroslabé interakci

Tým CMS nedávno provedl jedno z nejpřesnějších měření této teorie, když analyzoval miliardy protonových srážek na velkém hadronovém urychlovači CERN. Zaměřili se na měření slabého směšovacího úhlu, parametru, který popisuje, jak se elektromagnetismus a slabá síla mísí za vzniku částic.

Předchozí měření elektroslabého směšovacího úhlu vyvolala ve vědecké komunitě kontroverze. Nejnovější výsledky jsou však úzce v souladu s předpověďmi ze standardního modelu částicové fyziky. Postdoktorand z Rochesteru Rice Taus a postdoktorand Aliko Khokhonishvili implementovali nové techniky ke snížení metodologické nejistoty spojené s tímto měřením a zvýšili jeho přesnost.

Pochopení slabého úhlu mísení vrhá světlo na to, jak různé síly ve vesmíru spolupracují na nejmenších měřítcích, a prohlubuje pochopení základní povahy hmoty a energie.

„Tým z Rochesteru vyvíjí inovativní techniky a měří tyto elektroslabé parametry od roku 2010 a poté je implementuje ve velkém hadronovém urychlovači,“ říká Budick „Tyto nové techniky předznamenaly novou éru testování přesnosti předpovědí standardních modelů.

CMS Collaboration je mezinárodní vědecká spolupráce zodpovědná za experiment Compact Muon Solenoid (CMS) ve Velkém hadronovém urychlovači Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN). Spolupráce sdružuje více než 4000 vědců z více než 200 institucí a 50 zemí a provádí výzkum v oblasti fyziky vysokých energií, zkoumání částic a základních sil, včetně slavného objevu Higgsova bosonu v roce 2012.