Haben sie beim Large Hadron Collider Beweise für eine neue Physik verloren?

ATLAS-Partikeldetektor am LHC des Europäischen Zentrums für Kernforschung (CERN) in Genf, Schweiz. Der LHC, der in einem unterirdischen Tunnel mit einem Umfang von 27 km gebaut wurde, ist der größte und leistungsstärkste Teilchenbeschleuniger und die größte Maschine der Welt. Er kann jedoch nur einen kleinen Teil der von ihm gesammelten Daten aufzeichnen.

Im Large Hadron Collider drehen sich Protonen gleichzeitig im und gegen den Uhrzeigersinn und kollidieren miteinander, wobei sie sich gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit von 99,9999991% der Lichtgeschwindigkeit bewegen. An zwei Punkten, an denen die größte Anzahl von Kollisionen gemäß dem Schema auftreten sollte, werden riesige Partikeldetektoren gebaut: CMS und ATLAS . Nach den Milliarden und Abermilliarden von Kollisionen, die bei solch enormen Energien auftraten, ermöglichte uns der LHC, unsere Suche nach der fundamentalen Natur des Universums und dem Verständnis der elementaren Bausteine ​​der Materie weiter voranzutreiben.

Im September letzten Jahres feierte der LHC 10 Jahre seiner Arbeit mit der Eröffnung des Higgs-Bosons, das zu seiner Hauptleistung wurde. Trotz dieser Erfolge wurden keine neuen Teilchen, Wechselwirkungen, Zerfälle oder neue fundamentale Physik entdeckt. Und das Schlimmste ist, dass die meisten vom LHC empfangenen Daten für immer verloren gehen.


Die CMS-Zusammenarbeit, deren Detektor vor der Endmontage auf dem Foto zu sehen ist, hat die umfassendsten Ergebnisse ihrer Arbeit veröffentlicht. Es gibt keine Anzeichen von Physik, die über das Standardmodell hinausgehen.

Dies ist eines der dunkelsten Rätsel in der Hochenergiephysik, zumindest für normale Menschen. Der LHC hat nicht nur die meisten Daten verloren, sondern auch unglaubliche 99,997%. Genau das: Von jeder Million Zusammenstöße, die am LHC stattfinden, sind nur noch 30 Datensätze übrig.

Dies geschieht bei Bedarf aufgrund der durch die Naturgesetze auferlegten Einschränkungen sowie der Fähigkeiten der modernen Technologie. Diese Entscheidung geht jedoch mit einem Gefühl der Angst einher, das durch die Tatsache verstärkt wird, dass nichts offener war als das erwartete Higgs-Boson. Die Angst ist, dass es eine neue Physik gibt, die darauf wartet, entdeckt zu werden, aber wir haben sie verpasst und alle notwendigen Daten weggeworfen.


Kandidatenereignis für vier Myonen im ATLAS-Detektor. Spuren von Myonen und Antimuonen sind rot dargestellt, und langlebige Myonen bewegen sich länger als alle anderen instabilen Partikel. Dies ist ein interessantes Ereignis, aber für jedes aufgezeichnete Ereignis werden eine Million verworfen.

Aber wir hatten keine Wahl. Es müsste sowieso etwas fallen gelassen werden. Der LHC beschleunigt Protonen auf eine Lichtgeschwindigkeit, startet sie in entgegengesetzte Richtungen und drückt sie zusammen. Teilchenbeschleuniger funktionierten also am besten über mehrere Generationen. Nach Einstein ist die Energie eines Teilchens eine Kombination aus seiner Ruhemasse (die Sie als E = mc ^{2 erkennen können} ) und der Bewegungsenergie, die auch als kinetisch bezeichnet wird. Je schneller Sie sich bewegen - oder genauer gesagt, je näher Sie der Lichtgeschwindigkeit kommen - desto mehr Teilchenenergie können Sie erhalten.

Auf dem LHC kollidieren Protonen mit einer Geschwindigkeit von 299 792 455 m / s, wobei nur 3 m / s die Lichtgeschwindigkeit nicht erreichen. Wenn sie mit so hohen Geschwindigkeiten kollidieren und sich in die entgegengesetzte Richtung bewegen, ermöglichen wir die Existenz von Partikeln, die unter anderen Bedingungen nicht auftreten könnten.


Das Innere des LHC, in dem Protonen mit einer Geschwindigkeit von 299 792 455 m / s fliegen, erreicht nur 3 m / s und erreicht nicht die Lichtgeschwindigkeit.

Der Grund ist folgender: Alle von uns erzeugten Teilchen (und Antiteilchen) haben eine bestimmte Menge ihrer inhärenten Energie in Form einer Ruhemasse. Wenn zwei Teilchen kollidieren, muss ein Teil dieser Energie zu den einzelnen Komponenten dieser Teilchen, zu ihrer Ruheenergie und zu kinetischer Energie (d. H. Der Bewegungsenergie) gehen.

Aber wenn es genug Energie gibt, kann ein Teil davon für die Produktion neuer Partikel verwendet werden! Hier wird die Gleichung E = mc ² interessanter: Der Punkt ist nicht nur, dass die Energie E allen Teilchen der Masse m inhärent ist, sondern auch, dass wir mit genügend Energie, die uns zur Verfügung steht, neue Teilchen erzeugen können. Am LHC hat die Menschheit bei Kollisionen, bei denen neue Partikel erzeugt wurden, größere Energien erreicht als in jedem anderen Labor in der Geschichte.


Die Physiker untersuchten den LHC auf Anzeichen einer Vielzahl von Optionen für eine möglicherweise neue Physik, von zusätzlichen Messungen und dunkler Materie bis hin zu supersymmetrischen Teilchen und mikroskopisch kleinen Schwarzen Löchern. Trotz aller Daten, die bei diesen Hochenergiekollisionen gesammelt wurden, wurden keine Beweise für diese Szenarien gefunden.

Jedes Teilchen macht etwa 7 TeV Energie aus, dh jedes Proton erhält kinetische Energie, die 7000-mal höher ist als seine Ruheenergie. Kollisionen treten jedoch selten auf, und Protonen sind nicht nur winzig - sie sind größtenteils leer. Um die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zu erhöhen, müssen Sie mehr als ein Proton gleichzeitig nehmen. Protonen werden in Gruppen injiziert.

Dies bedeutet, dass bei voller Leistung im LHC während des Betriebs viele kleine Protonengruppen im und gegen den Uhrzeigersinn rasen. Die Länge der LHC-Tunnel beträgt ungefähr 26 km, und jede Gruppe von Protonen ist nur 7,5 m voneinander entfernt. Diese Protonenstrahlen werden vor der Wechselwirkung am Mittelpunkt jedes Detektors komprimiert. Und alle 25 Nanosekunden besteht die Möglichkeit einer Kollision.


Der CMS-Detektor am CERN ist einer der beiden leistungsstärksten Detektoren, die jemals entwickelt wurden. Im Durchschnitt kollidieren alle 25 Nanosekunden in seinem Zentrum neue Partikelgruppen.

Was tun? Rechnen Sie mit einer kleinen Anzahl von Kollisionen und zeichnen Sie jede auf? Dies wird eine enorme Verschwendung von Energie und potenziellen Daten sein.

Stattdessen pumpen wir ziemlich viele Protonen in jede Gruppe, und jedes Mal, wenn wir auf Strahlen treffen, haben wir gute Chancen auf Teilchenkollisionen. Und jedes Mal, wenn eine solche Kollision auftritt, platzen die Partikel im Detektor in alle Richtungen und starten komplexe Elektronik und Schaltkreise, sodass wir nachbilden können, was wann und an welcher Stelle des Detektors erzeugt wurde. Dies ist wie eine gigantische Explosion, und nur wenn wir alle Splitterstücke messen, die herausflogen, können wir nachvollziehen, was zum Zeitpunkt des Ausbruchs passiert ist (und welche neuen Dinge wir geschaffen haben).


Higgs-Boson-Ereignis in CMS auf LHC. Die Energie dieser spektakulären Kollision ist 15 Größenordnungen niedriger als die Planck-Energie, aber es sind genau die genauen Messungen des Detektors, die es uns ermöglichen, nachzubilden, was am Kollisionspunkt passiert ist.

Dies wirft jedoch das Problem auf, alle Daten zu sammeln und aufzuzeichnen. Die Detektoren sind an sich groß: CMS misst 22 m und ATLAS 46 m. ​​Zu jedem Zeitpunkt erscheinen Partikel, die aus drei verschiedenen Kollisionen stammen, im CMS und sechs aus ATLAS. Um Daten aufzuzeichnen, müssen Sie zwei Schritte ausführen:

1. Daten müssen in den Detektorspeicher übertragen werden, begrenzt durch die Geschwindigkeit der Elektronik. Obwohl sich elektrische Signale fast mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, können wir uns nur an eine von fünfhundert Kollisionen „erinnern“.
2. Daten im Speicher müssen auf die Festplatte (oder ein anderes permanentes Medium) geschrieben werden. Dies geschieht viel langsamer als das Schreiben von Daten in den Speicher. Sie müssen entscheiden, was Sie aufbewahren und was Sie wegwerfen möchten.

Schematische Darstellung, wie Daten in das System eingespeist, Sensoren gestartet, analysiert und zur dauerhaften Speicherung gesendet werden. Dies ist ein Diagramm für ATLAS. Es unterscheidet sich geringfügig von einem Diagramm für CMS.

Wir verwenden einige Tricks, um die Auswahl der Ereignisse mit Bedacht zu gewährleisten. Wir untersuchen sofort viele Kollisionsfaktoren, um festzustellen, ob sie genauer untersucht werden sollen oder nicht: Dies wird als Auslöser bezeichnet. Wenn wir den Auslöser drücken, gelangen wir zum nächsten Level. (Außerdem bleibt ein kleiner Teil der Daten, die den Trigger nicht bestanden haben, erhalten, falls ein interessantes Signal auftritt, für das wir keinen Trigger gedacht haben). Dann wird eine zweite Schicht von Filtern und Triggern angewendet; Wenn sich herausstellt, dass das Ereignis interessant genug ist, um es zu speichern, wird es in den Puffer eingegeben, um die Aufzeichnung auf dem Medium zu gewährleisten. Wir können garantieren, dass jedes als „interessant“ gekennzeichnete Ereignis zusammen mit einem kleinen Teil der uninteressanten Ereignisse erhalten bleibt.

Da beide Schritte erforderlich sind, können wir nur 0,003% für die weitere Analyse einsparen.


Kandidat für das Higgs-Boson im ATLAS-Detektor. Selbst wenn offensichtliche Zeichen und Spuren seitlich verlaufen, ist das Vorhandensein einer großen Anzahl anderer Partikel sichtbar. alles nur, weil Protonen zusammengesetzte Teilchen sind. Dies funktioniert nur, weil Higgs den Grundkomponenten dieser Partikel Masse hinzufügt.

Woher wissen wir, dass wir die notwendigen Informationen speichern? Diejenigen, bei denen die Entstehung neuer Teilchen höchstwahrscheinlich aufgezeichnet wird, die Bedeutung neuer Wechselwirkungen sichtbar wird, wird neue Physik beobachtet?

Wenn Protonen kollidieren, entstehen größtenteils normale Teilchen - in dem Sinne, dass sie fast ausschließlich aus oberen und unteren Quarks bestehen. (Dies sind Teilchen wie Protonen, Neutronen und Pionen). Die meisten Kollisionen treten im Vorbeigehen auf, dh die meisten Partikel kollidieren mit dem Detektor in oder gegen die Bewegungsrichtung.


Teilchenbeschleuniger auf der Erde, wie der LHC am CERN, können sie auf eine Geschwindigkeit beschleunigen, die der Lichtgeschwindigkeit sehr nahe kommt, diese aber immer noch nicht erreicht. Protonen sind zusammengesetzte Teilchen, und aufgrund der Bewegung mit einer Geschwindigkeit nahe dem Licht geht die Streuung neuer Teilchen nach Kollisionen in oder gegen die Bewegungsrichtung und nicht quer.

Daher versuchen wir im ersten Schritt, die Spuren von Teilchen mit relativ hohen Energien zu untersuchen, die in Querrichtung und nicht vorwärts oder rückwärts in Richtung der Strahlen verlaufen. Wir versuchen, in die Detektorspeicherereignisse zu schreiben, die unserer Meinung nach die größte Menge an freier Energie E aufweisen, um neue Teilchen mit der höchstmöglichen Masse m zu erzeugen. Dann scannen wir schnell, was sich im Speicher des Detektors befindet, um herauszufinden, ob es sich lohnt, diese Daten auf die Festplatte zu schreiben. In diesem Fall können diese Daten zur dauerhaften Speicherung in die Warteschlange gestellt werden.

Infolgedessen können Sie jede Sekunde 1000 Ereignisse speichern. Diese Zahl mag groß erscheinen - aber denken Sie daran, dass jede Sekunde etwa 40.000.000 Protonengruppen kollidieren.


Partikelspuren durch energiereiche Kollisionen - LHC-Bild 2014. Nur eine der 30.000 solcher Kollisionen wird aufgezeichnet und gespeichert, der größte Teil geht verloren.

Wir denken, dass wir klug handeln, genau das auswählen und behalten, was wir behalten, aber wir können nicht 100% sicher sein. Im Jahr 2010 erreichte das CERN-Rechenzentrum einen unglaublichen Meilenstein: 10 Petabyte Daten. Bis Ende 2013 waren bereits 100 Petabyte enthalten, 2017 wurde eine Marke von 200 Petabyte überschritten. Bei all diesen Bänden wissen wir jedoch, dass sie 30.000-mal mehr Daten ausgegeben haben oder nicht aufzeichnen konnten. Wir könnten Hunderte von Petabytes sammeln, aber wir haben viele Zettabytes an Daten für immer abgelehnt und verloren: Dies sind mehr Daten, als das gesamte Internet in einem Jahr erstellt .


Die Gesamtmenge der auf dem LHC gesammelten Daten liegt deutlich über der Gesamtmenge der Daten, die in den letzten 10 Jahren über das Internet gesendet und empfangen wurden. Es wurden jedoch nur 0,003% dieser Daten aufgezeichnet und gespeichert. alles andere ist für immer verloren.

Es ist sehr wahrscheinlich, dass der LHC neue Teilchen erzeugte, Hinweise auf neue Wechselwirkungen sah, alle Anzeichen neuer Physik beobachtete und aufzeichnete. Aufgrund unseres mangelnden Wissens über das Thema Suche ist es auch möglich, dass wir dies alles weggeworfen haben und dies auch weiterhin tun. Der Albtraum über den Mangel an Physik außerhalb des Standardmodells wird Realität. Der wahre Albtraum liegt jedoch in der sehr plausiblen Möglichkeit, dass eine neue Physik existiert. Wir haben die ideale Maschine für ihre Suche gebaut, sie gefunden, aber aufgrund unserer Entscheidungen und Annahmen nicht realisiert. Der wahre Albtraum ist, dass wir uns täuschen, indem wir an das Standardmodell glauben, nur weil wir 0,003% der verfügbaren Daten untersucht haben. Wir glauben, dass wir eine kluge Entscheidung getroffen haben und die ausgewählten Daten gespeichert haben, können uns aber nicht sicher sein. Es ist möglich, dass wir selbst, ohne es zu wissen, diesen Albtraum erlitten haben.

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