אבן דרך שהושגה בפירוק כוחות היסוד של היקום במאיץ ההדרונים הגדול

חוקרים מאוניברסיטת רוצ'סטר, עובדים עם CMS Collaboration ב CERNעשו התקדמות משמעותית במדידת זווית הערבוב האלקטרו-חלש, והעצימו את ההבנה שלנו במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים.

עבודתם עוזרת להסביר את כוחות היסוד של היקום, הנתמכים על ידי ניסויים כמו אלה שנערכו במתאיץ ההדרונים הגדול, אשר מתעמקים בתנאים דומים לאלה לאחר המפץ הגדול.

חשיפת תעלומות אוניברסליות

במסע לפענח את מסתורי היקום, חוקרים מאוניברסיטת רוצ'סטר מעורבים במשך עשרות שנים בשיתופי פעולה בינלאומיים בארגון האירופי לחקר גרעיני, הידוע יותר בשם CERN.

בהתבסס על המעורבות הנרחבת שלהם ב-CERN, במיוחד במסגרת שיתוף הפעולה CMS (Compact Muon Solenoid), צוות רוצ'סטר – בראשות אריה בודק, הפרופסור לפיזיקה של ג'ורג' א. פאקה – השיג לאחרונה אבן דרך פורצת דרך. ההישג שלהם מתרכז במדידת זווית הערבוב האלקטרוחלש, מרכיב חיוני במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. מודל זה מתאר כיצד חלקיקים מקיימים אינטראקציה ומנבא במדויק שפע של תופעות בפיזיקה ובאסטרונומיה.

"המדידות האחרונות של זווית הערבוב האלקטרוחלש הן מדויקות להפליא, מחושבות מהתנגשויות של פרוטונים ב-CERN, ומחזקות את ההבנה של פיזיקת החלקיקים", אומר בודק.

ה-CMS Collaboration מפגיש חברים בקהילת הפיזיקה של החלקיקים מכל העולם כדי להבין טוב יותר את חוקי היקום הבסיסיים. בנוסף ל-Bodek, קבוצת רוצ'סטר ל-CMS Collaboration כוללת את החוקרים הראשיים רג'ינה דמינה, פרופסור לפיזיקה, ואת ארן גרסיה-בלידו, פרופסור חבר לפיזיקה, יחד עם שותפי מחקר פוסט-דוקטורט וסטודנטים לתארים מתקדמים ותואר ראשון.

מורשת של גילוי וחדשנות ב-CERN

ממוקמת בז'נבה, שוויץ, CERN היא המעבדה הגדולה בעולם לפיזיקת חלקיקים, הידועה בתגליות פורצות הדרך ובניסויים חדשניים.

לחוקרים של רוצ'סטר יש היסטוריה ארוכה של עבודה ב-CERN כחלק מ-CMS Collaboration, כולל תפקידי מפתח בגילוי בוזון היגס ב-2012 – חלקיק יסודי שעוזר להסביר את מקור המסה ביקום.

עבודת שיתוף הפעולה כוללת איסוף וניתוח נתונים שנאספו מגלאי הסולנואיד Compact Muon במאיץ החלקיקים הגדול והחזק בעולם של CERN (LHC) של CERN. ה-LHC מורכב מטבעת באורך 17 מייל של מגנטים מוליכים-על ומבנים מאיצים שנבנו מתחת לאדמה ומשתרעים על הגבול בין שוויץ לצרפת.

המטרה העיקרית של ה-LHC היא לחקור את אבני הבניין הבסיסיות של החומר ואת הכוחות השולטים בהם. הוא משיג זאת על ידי האצת אלומות של פרוטונים או יונים כמעט למהירות האור וריצוץ אותן זו בזו באנרגיות גבוהות במיוחד. התנגשויות אלו משחזרות תנאים דומים לאלה שהיו קיימים שברירי שנייה לאחר המפץ הגדול, ומאפשרים למדענים לחקור את התנהגותם של חלקיקים בתנאים קיצוניים.

פירוק כוחות מאוחדים

במאה ה-19, מדענים גילו שהכוחות השונים של חשמל ומגנטיות היו קשורים זה לזה: שדה חשמלי משתנה מייצר שדה מגנטי ולהיפך. התגלית היווה את הבסיס לאלקטרומגנטיות, המתארת ​​את האור כגל ומסבירה תופעות רבות באופטיקה, יחד עם תיאור האופן שבו שדות חשמליים ומגנטיים מתקשרים.

בהתבסס על הבנה זו, גילו פיזיקאים בשנות ה-60 שאלקטרומגנטיות קשורה לכוח אחר – הכוח החלש. הכוח החלש פועל בתוך גרעין האטומים ואחראי לתהליכים כמו ריקבון רדיואקטיבי והנעת ייצור האנרגיה של השמש. גילוי זה הוביל לפיתוח תיאוריית האלקטרו-חלש, הגורסת כי אלקטרומגנטיות והכוח החלש הם למעשה ביטויים באנרגיה נמוכה של כוח מאוחד הנקרא אינטראקציה אלקטרו-חלשה מאוחדת. תגליות מרכזיות, כמו בוזון היגס, אישרו את הרעיון הזה.

התקדמות באינטראקציה של Electroweak

ה-CMS Collaboration ביצע לאחרונה את אחת המדידות המדויקות ביותר עד כה הקשורות לתיאוריה זו, על ידי ניתוח מיליארדי התנגשויות פרוטון-פרוטון ב-LHC ב-CERN. הפוקוס שלהם היה מדידת זווית הערבוב החלשה, פרמטר המתאר כיצד אלקטרומגנטיות והכוח החלש מתמזגים יחד ליצירת חלקיקים.

מדידות קודמות של זווית הערבוב האלקטרו-חלש עוררו ויכוחים בקהילה המדעית. עם זאת, הממצאים האחרונים עולים בקנה אחד עם התחזיות מהמודל הסטנדרטי של פיזיקת חלקיקים. סטודנטית לתואר שני ברוצ'סטר, Rhys Taus, והעמית לפוסט-דוקטורט Aleko Khukhunaishvili יישמו טכניקות חדשות כדי למזער את אי הוודאות השיטתית הגלומה במדידה זו, תוך שיפור הדיוק שלה.

הבנת זווית הערבוב החלשה שופכת אור על האופן שבו כוחות שונים ביקום פועלים יחד בקנה מידה קטן ביותר, ומעמיקה את ההבנה של הטבע הבסיסי של החומר והאנרגיה.

"צוות רוצ'סטר מפתח טכניקות חדשניות ומודד את הפרמטרים האלקטרוחלשים הללו מאז 2010 ולאחר מכן מיישם אותם במאיץ ההדרונים הגדול", אומר בודק. "הטכניקות החדשות הללו בישרו עידן חדש של בדיקות דיוק של התחזיות של המודל הסטנדרטי."