Die größte Errungenschaft bei der Entdeckung der fundamentalen Kräfte des Universums am Large Hadron Collider

Aufbauend auf seiner umfassenden Zusammenarbeit mit CERN gelang dem Team der Universität Rochester kürzlich „unglaublich präzise“ Messungen des elektroschwachen Mischungswinkels, einer entscheidenden Komponente des Standardmodells der Teilchenphysik. Bildnachweis: Samuel Joseph Herzog. Julian Marius Urdan

Forscher der University of Rochester arbeiten mit der CMS Collaboration daran CERNhaben große Fortschritte bei der Messung des elektroschwachen Mischungswinkels gemacht und unser Verständnis des Standardmodells der Teilchenphysik erweitert.

Ihre Arbeit trägt dazu bei, die Grundkräfte des Universums zu erklären, unterstützt durch Experimente wie die am Large Hadron Collider, die sich mit Bedingungen befassen, die denen ähneln, die danach eintraten die große Explosion.

Entdecken Sie kosmische Geheimnisse

Um die Geheimnisse des Universums zu entschlüsseln, sind Forscher der Universität Rochester seit Jahrzehnten an einer internationalen Zusammenarbeit bei der Europäischen Organisation für Kernforschung, bekannt als CERN, beteiligt.

Aufbauend auf ihrem umfassenden Engagement am CERN, insbesondere im Rahmen der CMS-Zusammenarbeit (Compact Solenoid), hat das Rochester-Team unter der Leitung von Ari Budek, Professor für Physik an der George E. Buck – jüngst eine Pionierleistung. Ihre Leistung konzentriert sich auf die Messung des elektroschwachen Mischungswinkels, einer entscheidenden Komponente des Standardmodells der Teilchenphysik. Dieses Modell beschreibt, wie Teilchen interagieren, und sagt eine Vielzahl von Phänomenen in der Physik und Astronomie genau voraus.

„Aktuelle Messungen des Mischungswinkels der elektroschwachen Kraft sind unglaublich genau, da sie aus Protonenkollisionen am CERN berechnet wurden, und sie fördern das Verständnis der Teilchenphysik“, sagt Budick.

Die Mitarbeit in einem Content-Management-System Die CMS-Kollaboration bringt Mitglieder der Teilchenphysik-Community aus der ganzen Welt zusammen, um die Grundgesetze des Universums besser zu verstehen. Zur Rochester-Gruppe im CMS-Kooperationsprojekt gehören neben Bodek auch die Hauptforscherinnen Regina DeMina, Professorin für Physik, und Aran Garcia Bellido, außerordentliche Professorin für Physik, sowie Postdoktoranden und Doktoranden und Studenten.

Forscher der University of Rochester arbeiten seit langem am CERN im Rahmen der Compact Muon Solenoid (CMS)-Kollaboration und spielten unter anderem eine Schlüsselrolle bei der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012. Bildnachweis: Samuel Joseph Herzog. Julian Marius Urdan

Das Erbe der Entdeckung und Innovation am CERN

Das CERN mit Sitz in Genf in der Schweiz ist das weltweit größte Labor für Teilchenphysik und bekannt für seine bahnbrechenden Entdeckungen und hochmodernen Experimente.

Rochester-Forscher arbeiten seit langem im Rahmen der CMS-Zusammenarbeit am CERN und spielen unter anderem eine Schlüsselrolle in … 2012 Entdeckung des Higgs-Bosons– Ein Elementarteilchen, das hilft, den Ursprung der Masse im Universum zu erklären.

Die Arbeit der Zusammenarbeit umfasst das Sammeln und Analysieren von Daten, die vom Myon-Solenoid-Detektor gesammelt wurden, der im Large Hadron Collider des CERN, dem weltweit größten und leistungsstärksten Teilchenbeschleuniger, eingebaut ist. Der LHC besteht aus einem 17 Meilen langen Ring supraleitender Magnete und Beschleunigerstrukturen im Untergrund und erstreckt sich entlang der Grenze zwischen der Schweiz und Frankreich.

Der Hauptzweck des Large Hadron Collider (LHC) besteht darin, die Grundbausteine ​​der Materie und die Kräfte, die sie steuern, zu erforschen. Dies wird dadurch erreicht, dass Protonen- oder Ionenstrahlen nahezu auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit extrem hohen Energien zusammengeschlagen werden. Diese Kollisionen erzeugen ähnliche Bedingungen wie Millisekunden nach dem Urknall und ermöglichen es Wissenschaftlern, das Verhalten von Teilchen unter extremen Bedingungen zu untersuchen.

Auflösung der vereinten Kräfte

Im 19. Jahrhundert entdeckten Wissenschaftler, dass die verschiedenen Kräfte von Elektrizität und Magnetismus miteinander verbunden sind: Ein sich änderndes elektrisches Feld erzeugt ein magnetisches Feld und umgekehrt. Diese Entdeckung bildete die Grundlage des Elektromagnetismus, der Licht als Welle beschreibt und viele Phänomene in der Optik erklärt sowie die Wechselwirkung elektrischer und magnetischer Felder beschreibt.

Aufbauend auf diesem Verständnis entdeckten Physiker in den 1960er Jahren, dass Elektromagnetismus mit einer anderen Kraft zusammenhängt, der schwachen Kraft. Die schwache Kraft wirkt im Kern der Atome und ist für Prozesse wie den radioaktiven Zerfall und die Energieerzeugung durch Sonnenenergie verantwortlich. Diese Entdeckung führte zur Entwicklung der elektroschwachen Theorie, die besagt, dass Elektromagnetismus und die schwache Kraft tatsächlich niederenergetische Manifestationen einer einheitlichen Kraft sind, die als einheitliche elektroschwache Wechselwirkung bezeichnet wird. Wichtige Entdeckungen wie das Higgs-Boson haben dieses Konzept bestätigt.

Fortschritte bei der schwachen elektrostatischen Wechselwirkung

Das CMS-Team führte kürzlich eine der bisher präzisesten Messungen dieser Theorie durch, indem es Milliarden von Protonenkollisionen am Large Hadron Collider des CERN analysierte. Ihr Fokus lag auf der Messung des schwachen Mischungswinkels, einem Parameter, der beschreibt, wie sich Elektromagnetismus und schwache Kraft zu Partikeln vermischen.

Frühere Messungen des elektroschwachen Mischungswinkels haben in der wissenschaftlichen Gemeinschaft Kontroversen ausgelöst. Allerdings stimmen die neuesten Ergebnisse weitgehend mit den Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik überein. Die Rochester-Doktorandin Rice Taus und die Postdoktorandin Aliko Khokhonishvili implementierten neue Techniken, um die dieser Messung innewohnende methodische Unsicherheit zu verringern und ihre Genauigkeit zu verbessern.

Das Verständnis des schwachen Mischungswinkels gibt Aufschluss darüber, wie verschiedene Kräfte im Universum auf kleinsten Skalen zusammenarbeiten, und vertieft das Verständnis der grundlegenden Natur von Materie und Energie.

„Das Rochester-Team entwickelt seit 2010 innovative Techniken und misst diese elektroschwachen Parameter und implementiert sie dann am Large Hadron Collider“, sagt Budick. „Diese neuen Techniken haben eine neue Ära der Genauigkeitsprüfung von Standardmodellvorhersagen eingeläutet.“