Apakah mereka kehilangan bukti fisika baru di Large Hadron Collider?

Detektor partikel ATLAS di LHC di Pusat Eropa untuk Penelitian Nuklir (CERN) di Jenewa, Swiss. LHC, dibangun di dalam terowongan bawah tanah dengan keliling 27 km, adalah akselerator partikel terbesar dan paling kuat serta mesin terbesar di dunia. Tetapi dia hanya mampu merekam sebagian kecil dari data yang dia kumpulkan.

Dalam Large Hadron Collider, proton secara simultan berputar searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam, dan bertabrakan satu sama lain, bergerak pada saat yang sama pada kecepatan 99,9999991% dari kecepatan cahaya. Pada dua titik, di mana jumlah tabrakan terbesar harus terjadi sesuai dengan skema, dibangun detektor partikel besar: CMS dan ATLAS . Setelah miliaran dan miliaran tabrakan yang terjadi pada energi yang begitu besar, LHC memungkinkan kita untuk maju lebih jauh dalam perburuan kita untuk sifat dasar alam semesta dan pemahaman tentang unsur-unsur dasar bangunan materi.

Pada bulan September tahun lalu, LHC merayakan 10 tahun pekerjaannya dengan membuka bos Higgs, yang menjadi pencapaian utamanya. Tetapi, terlepas dari keberhasilan ini, tidak ada partikel baru, interaksi, peluruhan, atau fisika fundamental baru yang ditemukan di sana. Dan yang terburuk, sebagian besar data yang diterima dari LHC selamanya hilang.


Kolaborasi CMS, yang detektornya dapat dilihat di foto sebelum pertemuan akhir, telah merilis hasil paling komprehensif dari pekerjaannya. Tidak ada tanda-tanda fisika yang melampaui Model Standar .

Ini adalah salah satu teka-teki paling tidak jelas dalam fisika energi tinggi, setidaknya untuk orang awam. LHC tidak hanya kehilangan sebagian besar data: kehilangan 99,997% yang luar biasa. Persis seperti ini: dari setiap juta bentrokan yang terjadi di LHC, hanya 30 catatan yang tersisa.

Ini terjadi bila perlu, karena pembatasan yang diberlakukan oleh hukum alam, serta kemampuan teknologi modern. Namun keputusan ini disertai dengan rasa takut, diperkuat oleh fakta bahwa tidak ada yang lebih terbuka daripada bos Higgs yang diharapkan. Ketakutan adalah bahwa ada fisika baru yang menunggu untuk ditemukan, tetapi kami melewatkannya, membuang semua data yang diperlukan.


Acara kandidat untuk empat muon di detektor ATLAS. Jejak muon dan antimuon ditampilkan dalam warna merah, dan muon berumur panjang berjalan jauh lebih lama daripada partikel tidak stabil lainnya. Ini adalah acara yang menarik, tetapi untuk setiap acara yang direkam, ada satu juta yang dibuang.

Tapi kami tidak punya pilihan. Bagaimanapun, sesuatu harus dijatuhkan. LHC bekerja dengan mempercepat proton hingga mendekati cahaya, meluncurkannya ke arah yang berlawanan dan menyatukannya. Jadi akselerator partikel bekerja paling baik untuk beberapa generasi. Menurut Einstein, energi sebuah partikel adalah kombinasi dari massa sisanya (yang Anda kenal sebagai E = mc ² ) dan energi gerak, yang juga dikenal sebagai kinetik. Semakin cepat Anda bergerak - atau, lebih tepatnya, semakin dekat Anda dengan kecepatan cahaya - semakin banyak energi partikel yang bisa Anda dapatkan.

Pada LHC, kami bertabrakan proton dengan kecepatan 299 792 455 m / s, hanya 3 m / s yang tidak mencapai kecepatan cahaya. Bertabrakan dengan kecepatan tinggi, ketika mereka bergerak ke arah yang berlawanan, kami memungkinkan adanya partikel yang tidak bisa muncul dalam kondisi lain.


Bagian dalam LHC, tempat proton terbang dengan kecepatan 299 792 455 m / s, hanya 3 m / s yang tidak mencapai kecepatan cahaya.

Alasannya adalah ini: semua partikel (dan antipartikel) yang diciptakan oleh kita memiliki sejumlah energi yang melekat dalam bentuk massa sisa. Ketika dua partikel bertabrakan, sebagian dari energi ini harus pergi ke komponen individu dari partikel-partikel ini, ke energi istirahat mereka dan ke energi kinetik (yaitu, energi gerak).

Tetapi jika ada cukup energi, sebagian darinya dapat digunakan untuk memproduksi partikel baru! Di sini persamaan E = mc ² menjadi lebih menarik: intinya bukan hanya bahwa energi E melekat pada semua partikel massa m, tetapi juga bahwa dengan cukup energi yang tersedia bagi kita, kita dapat membuat partikel baru. Di LHC, manusia telah mencapai energi yang lebih besar dalam tabrakan yang menghasilkan partikel baru daripada laboratorium lain dalam sejarah.


Fisikawan memandang LHC untuk melihat tanda-tanda sejumlah besar pilihan untuk fisika yang berpotensi baru, dari pengukuran tambahan dan materi gelap hingga partikel supersimetris dan lubang hitam mikroskopis. Namun terlepas dari semua data yang dikumpulkan dalam tabrakan berenergi tinggi ini, bukti skenario ini tidak pernah ditemukan.

Setiap partikel menyumbang sekitar 7 TeV energi, yaitu, setiap proton menerima energi kinetik, yang 7000 kali lebih tinggi dari energi sisanya. Namun, tabrakan jarang terjadi, dan proton tidak hanya kecil - kebanyakan kosong. Untuk meningkatkan kemungkinan tabrakan, Anda perlu mengambil lebih dari satu proton sekaligus; proton disuntikkan dalam kelompok.

Ini berarti bahwa dengan kekuatan penuh di dalam LHC, selama operasinya, banyak kelompok kecil proton bergerak searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam. Panjang terowongan LHC adalah sekitar 26 km, dan setiap kelompok proton dipisahkan oleh hanya 7,5 m. Sinar proton ini dikompresi sebelum interaksi di titik pusat setiap detektor. Dan setiap 25 nanodetik ada kemungkinan tabrakan.


Detektor CMS di CERN adalah salah satu dari dua detektor paling kuat yang pernah dibuat. Rata-rata, setiap 25 nanodetik di pusatnya bertabrakan dengan kelompok partikel baru.

Jadi apa yang harus dilakukan? Hitung sejumlah kecil tabrakan dan catat masing-masing? Ini akan menjadi pemborosan energi dan data potensial.

Sebagai gantinya, kami memompa cukup banyak proton ke dalam setiap kelompok, dan setiap kali kami menemukan sinar, kami mendapat peluang yang baik untuk tabrakan partikel. Dan setiap kali selama tabrakan tersebut, partikel-partikel meledak ke segala arah di dalam detektor, meluncurkan elektronik dan sirkuit yang kompleks, memungkinkan kita untuk menciptakan kembali apa yang telah dibuat, kapan dan di mana tempat detektor itu. Ini seperti ledakan raksasa, dan hanya dengan mengukur semua potongan pecahan peluru yang terbang keluar, kita dapat menciptakan kembali apa yang terjadi (dan hal-hal baru yang kita buat) pada saat wabah.


Acara bos Higgs di CMS di LHC. Energi dari tabrakan spektakuler ini adalah 15 kali lipat lebih rendah dari energi Planck, tetapi justru pengukuran tepat dari detektor yang memungkinkan kita untuk menciptakan kembali apa yang terjadi pada titik tabrakan.

Namun, ini menimbulkan masalah dalam mengumpulkan dan merekam semua data. Detektornya besar: CMS berukuran 22 m, dan ATLAS 46 m. ​​Setiap saat, partikel yang berasal dari tiga tabrakan berbeda muncul di dalam CMS, dan dari enam di ATLAS. Untuk merekam data, Anda perlu mengambil dua langkah:

1. Data harus ditransfer ke memori detektor, dibatasi oleh kecepatan elektronik. Meskipun sinyal listrik bergerak hampir dengan kecepatan cahaya, kita dapat "mengingat" hanya sekitar satu dari lima ratus tabrakan.
2. Data dalam memori harus ditulis ke disk (atau media permanen lain), dan ini terjadi jauh lebih lambat daripada menulis data ke memori. Anda harus memutuskan apa yang akan disimpan dan apa yang harus dibuang.

Diagram skematik tentang bagaimana data dimasukkan ke dalam sistem, sensor diluncurkan, mereka dianalisis dan dikirim untuk penyimpanan permanen. Ini adalah bagan untuk ATLAS, ini sedikit berbeda dari bagan untuk CMS.

Kami menggunakan beberapa trik untuk menjamin pilihan acara dengan bijak. Kami segera memeriksa banyak faktor tabrakan untuk menentukan apakah akan mempelajarinya lebih hati-hati atau tidak: inilah yang kami sebut pemicu. Melewati pemicu, kita sampai ke level berikutnya. (Juga, sebagian kecil dari data yang tidak lulus pemicu dipertahankan, kalau-kalau ada sinyal yang menarik, yang kami tidak berpikir untuk membuat pemicu). Kemudian lapisan kedua filter dan pemicu diterapkan; jika acara ternyata cukup menarik untuk disimpan, ia masuk ke buffer untuk menjamin rekamannya di media. Kami dapat menjamin bahwa acara apa pun yang ditandai sebagai "menarik" dipertahankan, bersama dengan sebagian kecil dari acara yang tidak menarik.

Karena kedua langkah ini diperlukan, kami hanya dapat menghemat 0,003% untuk analisis lebih lanjut.


Calon bos Higgs di detektor ATLAS. Bahkan dengan tanda-tanda dan jejak yang jelas berjalan menyamping, kehadiran sejumlah besar partikel lain terlihat; semua karena proton adalah partikel komposit. Ini hanya berfungsi karena Higgs menambahkan massa pada komponen fundamental dari partikel-partikel ini.

Bagaimana kita tahu bahwa kita menyimpan informasi yang diperlukan? Di mana penciptaan partikel baru paling mungkin dicatat, pentingnya interaksi baru terlihat, apakah fisika baru diamati?

Ketika proton bertabrakan, sebagian besar partikel normal terlahir - dalam arti bahwa mereka hampir seluruhnya terdiri dari quark atas dan bawah. (Ini adalah partikel seperti proton, neutron dan pion). Sebagian besar tabrakan terjadi secara sepintas, yaitu sebagian besar partikel akan bertabrakan dengan detektor di atau berlawanan arah gerakan.


Akselerator partikel di Bumi, seperti LHC di CERN, dapat mempercepat mereka ke kecepatan yang sangat dekat dengan kecepatan cahaya, tetapi masih belum mencapainya. Proton adalah partikel komposit, dan karena gerakannya dengan kecepatan mendekati cahaya, setelah tabrakan, hamburan partikel baru masuk atau berlawanan dengan arah gerak, dan tidak melintang.

Oleh karena itu, pada langkah pertama, kami mencoba mempelajari jejak partikel energi yang relatif tinggi, bergerak ke arah melintang, dan tidak maju atau mundur ke arah sinar. Kami mencoba untuk menulis ke acara memori detektor yang, menurut pendapat kami, memiliki jumlah energi bebas E terbesar untuk membuat partikel baru dengan massa m tertinggi. Kemudian kami dengan cepat memindai apa yang ada dalam memori detektor untuk mengetahui apakah perlu menulis data ini ke disk. Jika demikian, data ini dapat diantrekan untuk penyimpanan permanen.

Hasilnya, setiap detik Anda bisa menyimpan 1000 acara. Jumlah ini mungkin tampak besar - tetapi perlu diingat bahwa sekitar 40.000.000 kelompok proton bertabrakan setiap detik.


Jejak partikel karena tabrakan berenergi tinggi - gambar LHC 2014. Hanya satu dari 30.000 tabrakan yang dicatat dan disimpan, sebagian besar hilang.

Kami berpikir bahwa kami bertindak dengan cerdas, memilih dan menjaga dengan tepat apa yang kami simpan, tetapi kami tidak dapat 100% yakin. Pada 2010, pusat data CERN mencapai tonggak luar biasa: 10 petabyte data. Pada akhir 2013, sudah berisi 100 petabyte, pada tahun 2017, tanda 200 petabytes telah dilewati. Tetapi untuk semua volume ini, kita tahu bahwa mereka membuang - atau tidak bisa merekam - 30.000 kali lebih banyak data. Kami dapat mengumpulkan ratusan petabyte, tetapi kami menolak dan kehilangan banyak zettabytes data selamanya: ini lebih banyak data daripada seluruh Internet yang diciptakan dalam setahun .


Jumlah total data yang dikumpulkan di LHC jauh di depan jumlah total data yang dikirim dan diterima melalui Internet selama 10 tahun terakhir. Tetapi hanya 0,003% dari data ini yang dicatat dan disimpan; segalanya hilang selamanya.

Sangat mungkin bahwa LHC menciptakan partikel baru, melihat bukti interaksi baru, mengamati dan mencatat semua tanda-tanda fisika baru. Selain itu, karena kurangnya pengetahuan kami tentang subjek pencarian, ada kemungkinan bahwa kami membuang semua ini dan terus melakukannya. Mimpi buruk tentang kurangnya fisika di luar Model Standar menjadi kenyataan. Namun, mimpi buruk yang sebenarnya terletak pada kemungkinan yang sangat masuk akal bahwa ada fisika baru, kami membangun mesin yang ideal untuk pencariannya, menemukannya, tetapi tidak menyadarinya, karena keputusan dan asumsi kami. Mimpi buruk yang sebenarnya adalah bahwa kita menipu diri kita sendiri dengan percaya pada Model Standar, hanya karena kita telah mempelajari 0,003% dari data yang tersedia. Kami berpikir bahwa kami telah membuat keputusan yang cerdas, menyimpan data yang dipilih, tetapi kami tidak dapat memastikannya. Mungkin saja kita sendiri, tanpa menyadarinya, mengalami mimpi buruk ini.

Anda dapat menemukan lebih banyak artikel tentang topik sains populer di situs web Golovanov.net . Lihat juga: apa arti hidup ; mengapa Rencana Pemberantasan Sampah San Francisco tidak berhasil ; di mana sisa-sisa materi normal ditemukan di Semesta, yang tidak dapat mereka temukan untuk waktu yang lama; apakah ada ruang dan waktu ; bagaimana lagi kita bisa mencari kehidupan di planet lain; dan serangkaian artikel tentang kosmologi, " Tanya Ethan ."

Saya mengingatkan Anda bahwa proyek itu hanya ada berkat dukungan pembaca (kartu bank, Yandex.Money, WebMoney, Bitcoin, tetapi setidaknya). Terima kasih kepada semua orang yang telah memberikan dukungan!

Sekarang Anda dapat mendukung proyek melalui layanan berlangganan otomatis Patreon !