De belangrijkste prestatie die is bereikt bij het onthullen van de fundamentele krachten van het universum bij de Large Hadron Collider

Onderzoekers van de Universiteit van Rochester werken met de CMS Collaboration aan CERNWe hebben aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het meten van de elektrozwakke menghoek, waardoor ons begrip van het standaardmodel van de deeltjesfysica is verbeterd.

Hun werk helpt bij het verklaren van de fundamentele krachten van het universum, ondersteund door experimenten zoals die bij de Large Hadron Collider, die zich verdiepen in omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die welke zich daarna voordeden. de grote explosie.

Ontdek kosmische geheimen

In de zoektocht om de geheimen van het universum te ontcijferen zijn onderzoekers van de Universiteit van Rochester al tientallen jaren betrokken bij een internationale samenwerking bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek, bekend als CERN.

Voortbouwend op hun uitgebreide betrokkenheid bij CERN, met name binnen de CMS-samenwerking (Compact Solenoid), heeft het Rochester-team – onder leiding van Ari Budek, hoogleraar natuurkunde aan George E. Buck – onlangs een baanbrekende prestatie. Hun prestatie concentreert zich op het meten van de elektrozwakke menghoek, een cruciaal onderdeel van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Dit model beschrijft hoe deeltjes met elkaar omgaan en voorspelt nauwkeurig een groot aantal verschijnselen in de natuurkunde en astronomie.

“Recente metingen van de menghoek van de elektrozwakke kracht zijn ongelooflijk nauwkeurig, omdat ze zijn berekend op basis van protonbotsingen op CERN, en ze bevorderen het begrip van de deeltjesfysica”, zegt Budick.

de Samenwerking in een contentmanagementsysteem De CMS Collaboration brengt leden van de deeltjesfysica-gemeenschap van over de hele wereld samen om de fundamentele wetten van het universum beter te begrijpen. Naast Bodek bestaat de Rochester-groep in het CMS Collaboration-project uit hoofdonderzoekers Regina DeMina, hoogleraar natuurkunde, en Aran Garcia Bellido, universitair hoofddocent natuurkunde, samen met postdoctorale onderzoekers en afgestudeerde en niet-gegradueerde studenten.

Onderzoekers van de Universiteit van Rochester hebben een lange geschiedenis van werken bij CERN als onderdeel van de Compact Muon Solenoid (CMS)-samenwerking, en speelden onder meer een sleutelrol bij de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012. Credit: Samuel Joseph Herzog. Julian Marius Urdan

De erfenis van ontdekking en innovatie bij CERN

CERN, gevestigd in Genève, Zwitserland, is ’s werelds grootste laboratorium voor deeltjesfysica, bekend om zijn baanbrekende ontdekkingen en baanbrekende experimenten.

Onderzoekers uit Rochester hebben een lange geschiedenis van werken bij CERN als onderdeel van de CMS-samenwerking, en speelden onder meer een sleutelrol in Ontdekking van het Higgsdeeltje in 2012– Een elementair deeltje dat de oorsprong van massa in het universum helpt verklaren.

Het werk van de samenwerking omvat het verzamelen en analyseren van gegevens verzameld uit de muon-solenoïdedetector die is ingebouwd in de Large Hadron Collider van CERN, ’s werelds grootste en krachtigste deeltjesversneller. De LHC bestaat uit een 27 kilometer lange ring van supergeleidende magneten en versnellerstructuren die ondergronds zijn gebouwd en zich uitstrekt langs de grens tussen Zwitserland en Frankrijk.

Het primaire doel van de Large Hadron Collider (LHC) is het onderzoeken van de fundamentele bouwstenen van materie en de krachten die deze beheersen. Het bereikt dit door bundels protonen of ionen te versnellen tot bijna de snelheid van het licht en ze met extreem hoge energieën tegen elkaar te slaan. Deze botsingen creëren omstandigheden die vergelijkbaar zijn met die van milliseconden na de oerknal, waardoor wetenschappers het gedrag van deeltjes onder extreme omstandigheden kunnen bestuderen.

Ontdek de verenigde krachten

In de 19e eeuw ontdekten wetenschappers dat de verschillende krachten van elektriciteit en magnetisme met elkaar verbonden zijn: een veranderend elektrisch veld produceert een magnetisch veld en omgekeerd. Deze ontdekking vormde de basis van het elektromagnetisme, dat licht als een golf beschrijft en veel verschijnselen in de optica verklaart, en beschrijft hoe elektrische en magnetische velden op elkaar inwerken.

Voortbouwend op dit inzicht ontdekten natuurkundigen in de jaren zestig dat elektromagnetisme verband houdt met een andere kracht: de zwakke kracht. De zwakke kracht werkt in de atoomkern en is verantwoordelijk voor processen zoals radioactief verval en het stimuleren van de energieproductie in de zon. Deze ontdekking leidde tot de ontwikkeling van de elektrozwakke theorie, die stelt dat elektromagnetisme en de zwakke kracht feitelijk energiezuinige manifestaties zijn van een verenigde kracht die de verenigde elektrozwakke interactie wordt genoemd. Belangrijke ontdekkingen, zoals het Higgsdeeltje, hebben dit concept bevestigd.

Ontwikkelingen in elektrozwakke interactie

Het CMS-team heeft onlangs een van de meest nauwkeurige metingen tot nu toe van deze theorie uitgevoerd door miljarden protonbotsingen bij de Large Hadron Collider van CERN te analyseren. Hun focus lag op het meten van de zwakke menghoek, een parameter die beschrijft hoe elektromagnetisme en de zwakke kracht zich vermengen om deeltjes te vormen.

Eerdere metingen van de elektrozwakke menghoek hebben tot controverse binnen de wetenschappelijke gemeenschap geleid. De nieuwste resultaten komen echter nauw overeen met voorspellingen van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Rice Taus, afgestudeerd student uit Rochester, en postdoctoraal collega Aliko Khokhonishvili implementeerden nieuwe technieken om de methodologische onzekerheid die inherent is aan deze meting te verminderen, waardoor de nauwkeurigheid ervan wordt vergroot.

Het begrijpen van de zwakke menghoek werpt licht op hoe verschillende krachten in het universum op de kleinste schaal samenwerken, waardoor het begrip van de fundamentele aard van materie en energie wordt verdiept.

“Het team uit Rochester ontwikkelt sinds 2010 innovatieve technieken en meet deze elektrozwakke parameters en implementeert deze vervolgens bij de Large Hadron Collider”, zegt Budick. “Deze nieuwe technieken hebben een nieuw tijdperk ingeluid van het testen van de nauwkeurigheid van voorspellingen van het standaardmodel.”