Устройството се надява да отговори на крайните екзистенциални въпроси


Устройството се надява да отговори на крайните екзистенциални въпроси

Детекторът Vertex Locator в университета в Ливърпул. Кредит: Маккой Уин, Университет на Ливърпул

Последната част от изцяло нов детектор завърши първия етап от своето пътуване към отключване на някои от най-трайните мистерии на Вселената.

41 милиона пиксела Вертекс локатор (VELO) е сглобен в университета в Ливърпул. Той е сглобен от компоненти, произведени в различни институти, преди да пътува до дома си в експеримента за красота на Големия адронен колайдер (LHCb) в CERN.

След като бъде инсталиран навреме за вземане на данни, той ще се опита да отговори на следните въпроси:

  • Защо Вселената е направена от материя, а не от антиматерия?
  • Защо изобщо съществува?
  • Какво друго има там?

Прекрасен баланс в зората на пространството и времето

В моментите непосредствено след Големия взрив, Вселената беше уловена в фин баланс между материя и антиматерия.

От това, което разбираме за законите на природата, тези форми на материя е трябвало да се унищожат една друга и да оставят след себе си вселена, изпълнена само със светлина. И все пак, въпреки всичко, материята някак си спечели предимство и остана нещо, за да формира вселената, която познаваме днес.

Най-доброто ни разбиране на физиката на Големия взрив ни казва, че материята и антиматерията са създадени в равни количества. Когато осъществиха контакт в (далеч по-малката и далеч по-плътна) ранна вселена, цялата им комбинирана маса трябваше да бъде насилствено трансформирана в чиста енергия. Защо и как материята е оцеляла при срещата е една от най-дълбоките загадки в съвременната наука.

Настоящата теория е, че въпреки че материята и антиматерията са създадени като почти перфектни огледални образи, трябва да е имало някакъв малък дисбаланс или дефект. Това означаваше, че някои не са идеални отражения. Тази разлика, макар и малка, може да е била достатъчна, за да даде предимство на материята.

През огледалото

Учените вече са открили малка пукнатина в огледалото, наречена нарушение на четността на заряда (CP). Това означава, че в някои случаи симетрията на материята и отражението на антиматерията се нарушава.

Това води до частица, която не е съвършената противоположност на своя близнак и тази “нарушена симетрия” може да означава, че една частица може да има предимство пред другата.

Когато тази симетрия е нарушена, an частица антиматерия може да се разпадне с различна скорост в сравнение с материята. Ако достатъчно от тези нарушения са се случили след Големия взрив, това може да обясни защо материята е оцеляла.

Като се държат различно от техните еквиваленти на антиматерия, е възможно частиците на материята с нарушена симетрия да отнеме малко повече време, за да се разпаднат. Ако това накара материята да остане само за малко по-дълго, това би могло да обясни как е останало последното.

Дълбокото неизвестно

Защо материята е оцеляла не е единствената мистерия във Вселената. Има и друг въпрос, който озадачава учените: какво би могло тъмна материя бъда?

Тъмната материя е неуловим, невидим вид материя, която доставя гравитационното лепило, за да поддържа звездите да се движат около галактиките. Тъй като все още не знаем какво е тъмна материя, възможно е да има и други, нови частици и сили във Вселената, които все още не сме виждали.

Откриването на нещо ново би могло да разкрие коренно различна картина на природата от тази, която имаме. Нови частици като тези биха могли да се обявят чрез фина промяна на начина, по който частиците, които можем да видим, да се държат, оставяйки малки, но откриваеми следи в нашите данни.

Красотата и чарът на VELO

Новият детектор VELO, който ще замени стария детектор VELO, ще се използва за изследване на фините разлики между материята и антиматерията на частиците, които съдържат субатомни частици. Те са известни като кварки за красота и кварки за очарование.

Тези екзотични частици, съдържащи кварк, известни също като B и D мезони, се получават по време на сблъсъци в Големия адронен колайдер (LHC). Те са трудни за изучаване, тъй като мезоните са много нестабилни и се разпадат в рамките на една част от секундата.

Когато се разпадат обаче, те всъщност се трансформират в нещо друго. Учените вярват, че чрез изучаване на тези различни разпади и техните свойства, данните от VELO ще помогнат на LHCb да разкрие основните сили и симетрии на природата.

Невероятно точни измервания

Новият детектор VELO ще седи възможно най-близо до мястото, където частиците се сблъскват в рамките на експеримента LHCb. Тези частици се разпадат за по-малко от една милионна от милионната част от секундата и пътуват само няколко милиметра. Следователно, това непосредствена близост ще даде на устройството възможно най-добрия шанс за измерване на техните свойства.

Чувствителността и близостта на VELO до лъчите на LHC ще му позволят да поеме невероятно прецизни измервания на частиците, докато се разпадат.

Като сравняват тези показания с прогнозите, направени от Стандартния модел (водещата теория на физиката на елементарните частици), учените могат да търсят отклонения, които могат да намекнат за нови частици в природата. Те могат също да търсят нарушения на CP или други причини, поради които материята и антиматерията се държат различно.

Тези отклонения биха могли да революционизират разбирането ни за това защо Вселената е такава, каквато е.

Надграждайки наследството на старото

VELO може да е чисто нов и авангарден, но ще се основава на наследството на предишния детектор VELO. VELO разполага с най-съвременен детектор за пиксели, съставен от решетки от малки квадратчета силиций, който дава висока разделителна способност дори в предизвикателната радиационна среда в близост до LHC лъчите.

Неговият предшественик, със своите линии от подредени силициеви детектори, помогна на LHCb да направи открития, включително:

  • Нови състояния на материята.
  • Невероятно рядък кварк за красота се разпада.
  • Разлики между материя и антиматерия очарователни кварки.
  • Първата интригуваща индикация за все още необяснимо поведение при разпадането на бюти кварк.

Проблясъци на поведението на частиците

Ръководителят на проекта VELO в Обединеното кралство професор Темис Боукок от Университета в Ливърпул каза: „Данните, заснети от стария детектор VELO, ни дадоха наистина примамливи проблясъци на поведението на частиците. За да постигнем напредък, трябва да превърнем това в наистина задълбочено, криминалистично разследване и тук идва новият детектор VELO. Той ни дава точния набор от очи, от който се нуждаем, за да наблюдаваме частиците на нивото на детайлност, от което се нуждаем. Много просто, VELO прави цялата ни програма по физика възможна на LHCb.”

Безпрецедентен детайл

Новият VELO ще може да улови тези разпадове с безпрецедентни детайли.

Съчетайте това с модернизиран софтуер и свръхбърза електроника за отчитане, която ще позволи красотата и очарованието да се определят в реално време. Учените ще разполагат с устройство, което им позволява да проследяват и анализират разпади, които преди са били твърде трудни за реконструкция.

Какво също прави новото VELO детектор уникалното е, че учените могат да го извадят от пътя, докато подготвят лъчите от частици за сблъсъци. След това те могат да го преместят механично на място, когато LHCb е готов да събира данни.

Това позволява на учените да уловят ясна информация от първите частици, които се излъчват от сблъсъците, без ненужно износване от лъча.


Вижда се, че субатомната частица се променя в античастица и обратно


Цитат: Устройството, което се надява да отговори на крайните екзистенциални въпроси (2022 г., 2 май), извлечено на 4 май 2022 г. от https://phys.org/news/2022-05-device-ultimate-existential.html

Този документ е обект на авторско право. Освен всяка честна сделка с цел частно проучване или изследване, никоя част не може да бъде възпроизвеждана без писменото разрешение. Съдържанието е предоставено само за информационни цели.