Leitin að Higgs bóseindinni

Ný háorku eindarannsókn unnin af hópi sem notaði gögn frá Fermi eindahraðlinum bætir enn við óvissuna um náttúru þessarar mikilvægu en fræðilegu eindar í nútíma eðlisfræði.

Greining á gögnum frá eindaárekstrum sem bjuggu til tvær létteindir hjálpar til við að bæta mælingar á massa annarar þungar eindar sem er undirgerð frumeindar og kallast toppkvarki, segir eðlisfræðingurinn Robert Kehoe sem leiddi hópinn sem gerði rannsóknina. Bæting á mælingum á massa toppkvarkans kemur við sögu í skilningi á náttúru Higgs eindarinnar, sagði Kehoe.

Higgs eindin var upphugsuð á 7. áratugnum til að hjálpa til við útskýringar á því hvernig frumefni heimsins passa saman og hafa áhrif á hvort annað. Hún ber ábyrgð á fyrirbæri sem kallast Higgs gangverkið, sem gefur grunneiningum náttúrunnar massa. Eðlisfræðingar hafa leitað í meira en fjóra áratugi til að geta séð Higgs eindina, en hún hefur aldrei fundist. Núna vonast þeir til þess að hún sjáist á næstu fáu árum þegar gögn fara að flæða frá nýjasta og stærsta eindahraðlinum, LHC sem CERN er með nálægt Genf í Sviss.

Eðlisfræðingar telja að toppkvarkinn – vegna mikils massa sín – sé viðkvæmur fyrir Higgs eindinni og geti þess vegna bent á hana. Þeir telja að með þvi að vita massa toppkvarkans  geti þeir þrengt sviðið þar sem Higgs eindin verður numin í árekstrum LHC hraðalsins. Topp kvarkinn er einn af 16 tegundum undirgerða frumeinda sem eðlisfræðingar hafa mælt. Það var spáð fyrir toppkvarkanum á 8. áratugnum og hann síðan mældur árið 1995. Mælingar á massa hans hafa orðið  sífellt nákvæmnari nánast með hverju árinu síðan þá, eðlisfræðingar fylgjast vel með hverju skrefi í betri mælingum á toppkvarkanum.

Við greiningarnar á létteindunum þá litu vísindamennirnir á gögn sem var safnað á fjórum árum í háorku árekstrum við Fermilab. Þessar tvær létteindagreiningar eru partur af um tug greininga á massa toppkvarkans við Fermilab tilraun sem kallast DZero. “Dzero tilraunin inniheldur 500 eðlisfræðinga og er ein af tveim stærstu samvinnuverkefnum vísindamanna  við Fermilab. Massi topp kvarkans var fyrst greindur á sama tíma af þessum tveim rannsóknum. Nokkrar mælingar á massa topp kvarkans frá þessum tveim rannsóknum eru settar saman til að finna heimsmeðaltal.”

Tvær nýjustu létteindagreiningarnar bæta síðustu heimsmeðaltals mælingarnar. Greiningarnar litu á eindir sem myndast þegar 2 róteindum er klesst saman og brotna í sundur og leysast upp. Þetta gerist mjög sjaldan og skynjarinn getur ekki séð tvær af mikilvægu ‘drauga’ eindunum – nifteindir – sem verða til við áreksturinn. Hinsvegar þá sér hann báðar létteindirnar vel og þær sjást ekki í öðrum árekstrum þar sem toppkvarkar verða ekki til. Þetta gerir það að verkum að hægt er að bæta nákvæmnina við mælingarnar mikið.

Nýja heimsmeðaltalið er svo nákvæmt að það þrengir betur en nokkurntímann mögulegar mælingar á massa Higgs bóseindarinnar, sagði Kehoe. Ef Higgs bóseindin verður önnur en eðlisfræðingar telja, þá þurfa þeir að endurvinna fræðilegan ramma sinn sem hefur lengi verið í notkun og kallast staðallíkanið. Vísindamenn vonast til að staðfesta staðallíkanið – sem hefur virkað vel í meira en 30 ár við að útskýra allt frá geislavirkni til tölvukubba – með því að mæla Higgs bóseindina.

“Nýju niðurstöðurnar gætu bent til að Higgs bóseindin hafi aðra eiginleika en staðallíkanið bendir til,” sagði Kehoe. “Það er mjög erfitt að búa til kenningu án einhvers gangverks sem hermir býsna vel eftir Higgs gangverkinu. En ef undirliggjandi ástæða þessa gangverks er mjög ólík, þá gæti það haft mikil áhrif á grunn staðallíkansins. Það gæti bent til þess að það sé eitthvað dýpra í gangi en Higgs bóseindin og það er mjög áhugavert.”

Mældur massi topp kvarkans gæti jafnvel farið lengra en að þrengja möguleika Higgs bóseindarinnar. Hann gæti bent til þess að skilningur okkar á Higgs bóseindinni sé ekki réttur, sagði hann.

Fyrri mælingar hafa sett toppkvarkann með næstum  sama massa og gullatóm. Nýja heimsmeðaltalið setur topp kvarkann í um það bil 186 faldan massa róteindar. Á meðan massinn hefur lítið breyst frá fyrri mælingum, þá hefur óvissan minnkað talsvert og er orðinn minna en 1%.

“Ef við gerum nákvæma spá um hvar Higss bóseindin er, og hún er ekki þar, þá er eitthvað vitlaust. Við höfum þá fundið stóran galla á líkaninu,” sagði Kehoe, sem hefur í 16 ár unnið við toppkvarkann. “Það myndi segja okkur að líkanið er of einfalt og raunveruleikinn sé mun flóknari.”

[Heimild: Southern Methodist University]

LHC er kominn af stað

Hérna má sjá myndband frá gangsetningu stóra sterkeindahraðalsins núna í síðustu viku. Við erum að nálgast þann tímapunkt að LHC fari að uppgötva nýja eðlisfræði en á miðju næsta ári telja CERN að þau muni framkvæma árekstra uppá 3,5 TEV (Tera Electron Volt) sem er mun meira en áður hefur verið gert í eindahraðli, heildarkrafturinn sem hönnun LHC býður uppá er 7 TEV og mun geislum með þeim krafti vera skotið saman í framtíðinni.

… skoða færslu »

Myndir af fyrsta árekstrinum við LHC

Í gær voru nokkrir árekstrar á milli róteinda – fyrstu sinnar tegundar við LHC – teknir upp, þar á meðal sá sem myndin hér sýnir.

Geislar LHC (Large Hadron Collider – Stóri sterkeindahraðallinn) munu framkvæma milljónir árekstra.

Myndin var tekin í gær (23. Nóvember 2009) á rannsóknarstofu LHC í Genf, Sviss, þegar róteindageislar fóru að hringsóla um göng LHC í báðar áttir. Róteindirnar koma frá báðum áttum og klessa saman í miðjum ALICE skynjaranum, sendandi þannig út minni eindir í allar áttir sem eru numdar af skynjaranum.

[Heimild: ISNS]

Nokkrar línur um strengjakenninguna

Kenningalegur eðlisfræðingur við Harvard hefur rætt við vísindamenn við stóra sterkeindahraðalinn í Sviss um möguleikann á að þeir uppgötvi nýja ’stau’ eind, með líftíma uppá u.þ.b. eina mínútu sem gæti verið fyrsta staðfesta tilraunin með strengjakenningunni.

Strengjakenningin sem var sett fram seint á sjöunda áratugnum og snemma á þeim áttunda er tól kenningalegra eðlisfræðinga til að útskýra í einu líkani alla fjóra meginkrafta alheimsins: þyngdarafl, rafsegulafl, og þá tvo krafta sem verka inní frumeindakjarna, sterka kraftinn og veika kraftinn.

Án strengjakenningarinnar þá þurfa eðlisfræðingar tvær kenningar til að útskýra hvernig alheimurinn virkar. Afstæðiskenningin útskýrir þyngdarafl, meðan hinir þrír kraftarnir eru útskýrðir með staðallíkaninu. Þar að auki hefur verið mjög erfitt að útskýra þyngdaraflið miðað við skammtafræði, það er vandamál sem strengjakenningin hefur lausn á.

Hinsvegar er stórt vandamál með strengjakenninguna að hún hefur aldrei verið staðfest með tilraunum, en þar koma Cumrun Vafa og stóri sterkeindahraðallinn við sögu.

Nokkurra ára vinna með útskriftarnemendanum Jonathan Heckman og öðrum samstarfsfélögum hefur leitt til þess að Vafa hefur stungið uppá að eind með eiginleika sem strengjakenningin spáir til um geti verið numin vegna allrar þeirrar orku sem framleidd er við stóra sterkeindahraðalinn.

Stóri sterkeindahraðallinn er heimsins stærsti eindahraðall, staðsettur í 27 km löngum neðanjarðarhring sem liggur frá Sviss og undir landamærin að Frakklandi og til baka. Þegar hann er kominn í fulla virkni þá ætti hann að geta klesst saman geislum af róteindum með orku upp á 14 trilljón volt, það er sjöfalt meiri kraftur en í öflugasta eindahraðlinum í dag, Tevatron við Fermi rannsóknarstofuna í Illinois.

Eftir galla og bilanir á stóra sterkeindahraðlinum á seinasta ári, þá eru stjórnendur hraðalsins að reyna aftur í þessum mánuði. Seint í október þá voru vísindamenn við CERN (evrópsku samtökin fyrir kjarnarannsóknir) að fagna því að fyrstu eindirnar voru að fara af stað í hraðlinum síðan slökkt var á honum.

Stjórnendurnir búast við stigvaxandi aukningu í hraðlinum, fyrst með geislum sem ferðast hringinn, síðan lágkrafts árekstrum og síðan stigmagnandi aukningu á orku árekstranna.

Flestir eðlisfræðingar búast við að stóri sterkeindahraðallinn uppgötvi ‘Higgs’ eindina, sem er talin vera undirstaða massa allra þekktra einda. Ein stór ósvöruð spurning er hvað annað stóri sterkeindahraðallinn eigi eftir að uppgötva.
… skoða færslu »

Þurfum við hulduefni?

Þetta er stærsta vandamálið í eðlisfræði: efnið sem við sjáum stendur aðeins fyrir 5% af því sýnilega þyngdarafli sem heldur vetrarbrautunum saman.

Hefðbundna útskýringin er að gríðarlegt magn ósýnilegs hulduefnis skýri týndu 95% en sumir hafa fært fyrir því rök að kenningin hans Einstein sé gölluð.

Í þessari viku í Science þá greina Pedro Ferreira við Oxford háskóla og Glenn Starkman við Case Western háskólann hvernig aðrar hugmyndir í staðinn fyrir hulduefni séu að standa sig.

Í meira en 25 ár hefur verið hugmynd um að það sé ekkert hulduefni, heldur erum við bara að misskilja gögnin og það sem er í raun að gerast er að við skiljum ekki þyngdaraflið, segir Pedro.

Gróf gerð að annari hugmynd var sett fram snemma á 9. áratugnum en aðeins nýlega nokkrar fullunnar kenningar verið settar fram sem breyta afstæðiskenningu Einstein og gætu leyst vandamálið um hulduefni, án hulduefnis.

Ísraelski eðlisfræðingurinn Mordehai Milgrom kom boltanum af stað árið 1983 með hugmynd sem varð þekkt sem MOND (modified Newtonian dynamics). Aðrar hugmyndir byggja síðan á þessu starfi, til dæmis TeVeS frá Jacob Bekenstein.

Pedro segir: “Í greininni þá leggjum við áherslu á tvo hluti. Í fyrsta lagi þá virðast allar þessar kenningar koma með eitthvað í líkingu við hulduefni innum bakdyrnar. Það er ekki að þær þurfi hulduefni með breytingum á þyngdaraflinu, heldur við hverja tilraun til að breyta þyngdaraflinu þá verður til eitthvað hulið.”

“Í öðru lagi, þó þetta virðist vera óljóst, þá ætti að vera hægt að gera tilraunir sem geta greint á milli þessara tveggja viðmiða. Með því að skoða hvernig vetrarbrautir eru dreifðar og hvernig þær breyta bakgrunnsljósi, þá ætti að vera hægt að finna vísbendingar fyrir breyttu þyngdarafli, þ.e. til að prófa hvort Einstein hafi raunverulega haft rétt fyrir sér.”

Vonin er að tilraunir eins og sú sem verður gerð af ‘Joint Dark Energy Mission’ eða ‘Square Kilomtre Array’ muni geta séð hvort merkin sem spáð er fyrir um með þessum kenningum séu til staðar.

[Heimild: Oxford háskóli]

Skammtafræðileg gassmásjá veitir okkur sýn í heim skrýtinna ofurkaldra frumefna

Eðlisfræðingar við Harvard háskólann hafa búið til skammtafræðilega gassmásjá sem hægt er að nota til að skoða einstök frumefni við svo lágt hitastig að þau hegða sér eftir lögmálum skammtafræðinnar.

Vinna þeirra sem var gefin út í þessari viku í ritinu Nature, kynnir hvernig vísindamenn hafa í fyrsta skipti numið einstök atóm í kristalskenndri byggingu aðeins gerð úr ljósi, kallast það Bose-Hubbard ljósfræðileg grind. Er það hluti af tilraunum vísindamanna til að nota ofurköld skammtafræðileg gös til að skilja og þróa ný skammtafræðileg efni.

“Hægt er að nota ofurköld frumefni í ljósfræðilegum grindum sem líkan til að hjálpa okkur að skilja eðlisfræðina á bakvið ofurleiðni eða skammtafræðilega segulfræði,” sagði einn höfundanna, Markus Greiner, aðstoðarprófessor í eðlisfræði við Harvard og aðili við Harvard – MIT miðstöðina um ofurköld frumefni. “Við búumst við að tækni okkar, brúi bilið milli fyrrum aðferða til að rannsaka skammtafræðileg kerfi, mun þetta hjálpa til við skammtafræðilega herma á þéttum efnakerfum og einnig nýtast við skammtafræðilega gagnavinnslu.”

Skammtafræðilega gassmásjáin sem var hönnuð af Greiner og samstarfsfélögum hans er háupplausnar tæki sem getur skoðað einstök frumefni – í þessu tilfelli, frumefni af rúbídíum – sem eru í einstökum stöðum í ljósgrindinni. Rúbidíum frumefnin eru kæld niður í aðeins 5 brot af milljarði af gráðu fyrir ofan alkul. (0 á Kelvin, -273°C)

“Við svona lágt hitastig, þá fylgja frumefni reglum skammtaaflfræði sem leiðir til þess að þau hegða sér á mjög óvænta vegu,” útskýrir einn höfundanna, Waseem S. Bakr, útskriftarnemandi við eðlisfræðideild Harvards. “Skammtaaflfræði leyfir frumefnum að hreyfa sig snöggt innan grindarinnar, hreyfa sig án alls viðnáms, jafnvel vera óstaðbundinn yfir alla grindina. Með smásjánni okkar getum við skoðað tugi þúsunda frumefna vinna saman að þessum ótrulegu verkum.”

Með því að takmarka skammtafræðilegt gas – eins og til dæmis Bose-Einstein þétta – á svona ljósfræðilega grind sem býr til kerfi sem hægt er að nota til að gera líkan af flóknum fyrirbærum í eðlisfræði þéttra efna, til dæmis ofurstreymi. Þangað til núna var aðeins hægt að skoða meginhluta þessara kerfa en hæfileiki nýju smásjáarinnar til að nema röðun þúsundra einstakra frumefna veitir vísindamönnum nýjar leiðir til að eiga við grunneiginleika efnis, sem gerir það að verkum að hægt er að rannsaka þessi hermikerfi á mun nákvæmari hátt, hugsanlega einnig grunn að einsíðu útskriftarkerfi fyrir skammtatölvur.

Það er mörgum spurningum ósvarað í sambandi við skammtafræðileg efni, t.d. háhita ofurleiðurum sem missa allt rafviðnám ef þeir eru kældir niður í hæfilegt hitastig,” sagði Greiner. “Við vonumst til að þessi ofurköldu frumefna kerfi geti gefið okku svör við sumum af þessum mikilvægu spurningum, þannig leitt veginn við gerð nýrra skammtafræðilega efna með hingað til óþekktum eiginleikum.”

[Heimild: Harvard háskólinn]