Der Large Hadron Collider und die Grenze der Physik

Die Wissenschaft der Teilchenphysik befasst sich mit den eigentlichen Bausteinen der Materie - den Atomen und Teilchen, die einen Großteil des Materials im Kosmos ausmachen. Es ist eine komplexe Wissenschaft, die sorgfältige Messungen von Partikeln erfordert, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Diese Wissenschaft erhielt einen enormen Schub, als der Large Hadron Collider (LHC) im September 2008 seinen Betrieb aufnahm. Sein Name klingt sehr "Science-Fiction", aber das Wort "Collider" erklärt eigentlich genau, was es tut: Senden Sie zwei energiereiche Teilchenstrahlen an Fast die Lichtgeschwindigkeit eines 27 Kilometer langen unterirdischen Rings. Zum richtigen Zeitpunkt werden die Strahlen zum "Kollidieren" gezwungen. Protonen in den Strahlen zerschlagen sich dann und wenn alles gut geht, entstehen für kurze Momente kleinere Teile - sogenannte subatomare Teilchen. Ihre Handlungen und Existenz werden aufgezeichnet. Durch diese Tätigkeit lernen die Physiker mehr über die grundlegenden Bestandteile der Materie.

LHC und Teilchenphysik

Der LHC wurde gebaut, um einige unglaublich wichtige Fragen in der Physik zu beantworten. Dabei ging es darum, woher die Masse kommt, warum der Kosmos aus Materie anstelle seines entgegengesetzten "Stoffes", der als Antimaterie bezeichnet wird, besteht und was der mysteriöse "Stoff", der als dunkle Materie bekannt ist, möglicherweise könnte Sein. Es könnte auch wichtige neue Hinweise auf die Bedingungen im sehr frühen Universum liefern, als Schwerkraft und elektromagnetische Kräfte mit den schwachen und starken Kräften zu einer allumfassenden Kraft kombiniert wurden. Das passierte im frühen Universum nur für kurze Zeit, und Physiker wollen wissen, warum und wie es sich verändert hat. 

Die Wissenschaft der Teilchenphysik ist im Wesentlichen die Suche nach den grundlegenden Bausteinen der Materie. Wir wissen um die Atome und Moleküle, die alles ausmachen, was wir sehen und fühlen. Die Atome selbst bestehen aus kleineren Bestandteilen: dem Kern und den Elektronen. Der Kern selbst besteht aus Protonen und Neutronen. Das ist jedoch nicht das Ende der Reihe. Die Neutronen bestehen aus subatomaren Teilchen, die Quarks genannt werden.

Gibt es kleinere Partikel? Das ist es, was Teilchenbeschleuniger herausfinden sollen. Die Art und Weise, wie sie dies tun, ist, Bedingungen zu schaffen, die denen nach dem Urknall - dem Ereignis, mit dem das Universum begann - ähnlich sind. Zu diesem Zeitpunkt, vor rund 13,7 Milliarden Jahren, bestand das Universum nur noch aus Partikeln. Sie wurden frei durch den Säuglingskosmos verstreut und streiften ununterbrochen umher. Dazu gehören Mesonen, Pionen, Baryonen und Hadronen (nach denen der Beschleuniger benannt ist)..

Teilchenphysiker (die Personen, die diese Teilchen untersuchen) vermuten, dass die Materie aus mindestens zwölf Arten grundlegender Teilchen besteht. Sie sind in Quarks (oben erwähnt) und Leptonen unterteilt. Es gibt sechs von jedem Typ. Das erklärt nur einige der grundlegenden Partikel in der Natur. Der Rest entsteht bei superenergetischen Kollisionen (entweder im Urknall oder in Beschleunigern wie dem LHC). Innerhalb dieser Kollisionen erhalten Teilchenphysiker einen sehr schnellen Einblick in die Bedingungen des Urknalls, als die grundlegenden Teilchen erzeugt wurden.

Was ist der LHC??

Der LHC ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt, eine große Schwester von Fermilab in Illinois und anderen kleineren Beschleunigern. Der LHC befindet sich in der Nähe von Genf in der Schweiz. Er wurde von der Europäischen Organisation für Kernforschung gebaut und betrieben und wird von mehr als 10.000 Wissenschaftlern aus der ganzen Welt eingesetzt. Entlang seines Rings haben Physiker und Techniker extrem starke unterkühlte Magnete installiert, die die Teilchenstrahlen durch ein Strahlrohr leiten und formen. Sobald sich die Strahlen schnell genug bewegen, führen spezielle Magnete sie zu den richtigen Positionen, an denen die Kollisionen stattfinden. Spezialisierte Detektoren erfassen die Kollisionen, die Partikel, die Temperaturen und andere Bedingungen zum Zeitpunkt der Kollision sowie die Partikelaktionen in milliardstel Sekunden, in denen die Zerstörungen stattfinden.

Was hat der LHC entdeckt??

Als Teilchenphysiker den LHC planten und bauten, hofften sie, Beweise für den Higgs-Boson zu finden. Es ist ein Partikel, das nach Peter Higgs benannt ist, der seine Existenz vorhergesagt hat. Im Jahr 2012 gab das LHC-Konsortium bekannt, dass Experimente die Existenz eines Bosons ergeben hatten, das die erwarteten Kriterien für das Higgs-Boson erfüllte. Zusätzlich zu der fortgesetzten Suche nach den Higgs haben Wissenschaftler, die den LHC verwenden, ein sogenanntes "Quark-Gluon-Plasma" geschaffen, das die dichteste Materie ist, die außerhalb eines Schwarzen Lochs existiert. Andere Teilchenexperimente helfen den Physikern, die Supersymmetrie zu verstehen, bei der es sich um eine Raumzeitsymmetrie handelt, an der zwei Arten von Teilchen beteiligt sind: Bosonen und Fermionen. Man geht davon aus, dass jede Gruppe von Partikeln einen Superpartner im anderen hat. Das Verständnis einer solchen Supersymmetrie würde den Wissenschaftlern weitere Einblicke in das sogenannte "Standardmodell" geben. Es ist eine Theorie, die erklärt, was die Welt ist, was ihre Materie zusammenhält und welche Kräfte und Teilchen involviert sind.

Die Zukunft des LHC

Der Betrieb am LHC umfasste zwei große Beobachtungsläufe. In der Zwischenzeit wird das System überarbeitet und aufgerüstet, um seine Instrumente und Detektoren zu verbessern. Die nächsten Aktualisierungen (voraussichtlich 2018 und später) werden eine Erhöhung der Kollisionsgeschwindigkeiten und eine Chance zur Erhöhung der Leuchtkraft der Maschine beinhalten. Dies bedeutet, dass LHC immer seltenere und schnellere Prozesse der Teilchenbeschleunigung und -kollision beobachten kann. Je schneller die Kollisionen auftreten können, desto mehr Energie wird freigesetzt, da immer kleinere und schwerer zu erkennende Partikel beteiligt sind. Dies wird den Teilchenphysikern einen noch besseren Einblick in die Bausteine ​​der Materie geben, aus denen die Sterne, Galaxien, Planeten und das Leben bestehen.