นักฟิสิกส์สร้างเครื่องจักรยักษ์เพื่อศึกษาอนุภาคขนาดเล็กหัวของ บาคาร่า Diana Parno ว่ายไปมาเมื่อเธอก้าวเข้าไปในภาชนะโลหะขนาดมหึมาของการทดลอง KATRIN เป็นครั้งแรก Parno นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัย Carnegie Mellon ในพิตต์สเบิร์กกล่าวว่าภายในโครงสร้างรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาดเท่าบ้าน ทุกอย่างมีความสมมาตร สะอาด และแวววาวจนตาพร่า “มันทำให้สับสนอย่างไม่น่าเชื่อ”
ตอนนี้ อิเล็กตรอน — โชคดีมากที่รอดพ้นจากอาการวิงเวียนศีรษะ —
สำรวจด้านในของสัตว์ประหลาดรูปเรือเหาะที่ตั้งอยู่ใน Karlsruhe ประเทศเยอรมนี การสร้างการทดลองใช้เวลาหลายปีและหลายสิบล้านดอลลาร์ ทำไมต้องสร้างเครื่องมือสุดโต่งเช่นนี้? ทั้งหมดนี้เป็นส่วนหนึ่งของการประมูลเพื่อวัดมวลของอนุภาคย่อยของอะตอมที่เรียกว่านิวตริโน
KATRIN ซึ่งย่อมาจาก Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment เริ่มดำเนินการทดสอบในเดือนพฤษภาคม การทดลองนี้เป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาฟิสิกส์อนุภาคแบบหลายขั้นตอน ซึ่งเป็นหนึ่งในเครื่องตรวจจับหลายสิบเครื่องที่สร้างขึ้นจากรูปทรงและขนาดที่ดูแปลกตา ภารกิจของพวกเขา: ดำดิ่งลงไปในแบบจำลองมาตรฐาน ทฤษฎีของนักฟิสิกส์อนุภาคเกี่ยวกับโครงสร้างย่อยของสสาร และอาจล้มล้างมัน
โมเดลมาตรฐานได้รับการพัฒนาในปี 1960 และ 70 มีรูขนาดใหญ่: ไม่สามารถอธิบายสสารมืดได้ สารที่ไม่มีตัวตนที่ตรวจพบโดยผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงเท่านั้น หรือพลังงานมืด อุบายลึกลับที่ทำให้จักรวาลขยายตัว อัตราที่เพิ่มขึ้น ทฤษฎีนี้ไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมเอกภพประกอบขึ้นจากสสารเป็นส่วนใหญ่ในขณะที่ปฏิสสารนั้นหาได้ยาก ( SN: 9/2/17, p. 15 ) นักฟิสิกส์จึงต้องการค้นหาเพื่อปรับปรุงฟิสิกส์ของอนุภาคโดยการตรวจสอบจุดอ่อนของแบบจำลองมาตรฐาน
สิ่งอำนวยความสะดวกหลัก เช่น Large Hadron Collider – เครื่องเร่งความเร็วขนาดมหึมาที่ CERN ใกล้เจนีวา – ยังไม่พบว่ารุ่นมาตรฐานผิดพลาดตรงไหน ( SN: 10/1/16, p. 12 ) การทดลองฟิสิกส์ของอนุภาคได้ยืนยันการคาดการณ์ของแบบจำลองมาตรฐานครั้งแล้วครั้งเล่า “ในแง่หนึ่ง เราตกเป็นเหยื่อของความสำเร็จของเราเอง” Juan Rojo นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีจาก Vrije Universiteit Amsterdam กล่าว “เราไม่มีคำใบ้ว่าขั้นตอนต่อไปคืออะไร”
การทดลองใหม่ๆ เช่น KATRIN อาจสามารถค้นหาคำตอบได้ เข้าร่วมอันดับด้วย Muon g-2 (ออกเสียงว่า “gee minus two”) ที่ Fermilab ใน Batavia, Ill. และ Belle II ใน Tsukuba ประเทศญี่ปุ่น การดูเบื้องหลังการทดลองเหล่านี้เผยให้เห็นเหงื่อ ความปิติยินดี และการเสียสละที่เข้าสู่แต่ละองค์กรที่ยากลำบากเหล่านี้ ความพยายามเหล่านี้เกี่ยวข้องกับนักวิจัยหลายร้อยคน ป้ายราคากีฬาในมูลค่าหลายสิบล้านดอลลาร์ และจำเป็นต้องมีการดำเนินการทางเทคโนโลยีที่สำคัญ: อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สลับซับซ้อน แม่เหล็กอันทรงพลัง และสภาวะที่สะอาดเป็นพิเศษ นักวิจัยได้สร้างเครื่องมือที่ซับซ้อนด้วยมือของพวกเขาเอง ลากอุปกรณ์จำนวนมากข้ามทวีป และทำความสะอาดด้านในของเครื่องตรวจจับจนกว่าจะเรืองแสงนี่คือภาพรวมของผู้ท้าชิงโมเดลมาตรฐานล่าสุดสามคน
มันทำงานอย่างไร
อิเล็กตรอนและคู่ปฏิสสารของพวกมัน โพซิตรอน วิ่งรอบคันเร่งรูปวงแหวนยาว 3 กิโลเมตร และชนกันที่ศูนย์กลางของเครื่องตรวจจับ Belle II ทำให้เกิดอนุภาคที่เรียกว่า B mesons อนุภาคเหล่านี้ประกอบด้วยควาร์กด้านล่าง ซึ่งเป็นอนุภาคที่แปลกใหม่ที่ไม่พบในสสารที่หลุดร่อน นักวิทยาศาสตร์กลั่นกรองข้อมูลที่เกิดขึ้นเมื่อ B mesons สลายตัวภายในเครื่องตรวจจับสูง 8 เมตรเพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการแปลก ๆ ของอนุภาค
ตกลง แต่ทำไม ดูเหมือนว่าบีมีซอนบางตัวชอบสลายตัวเป็นอิเล็กตรอนมากกว่ามิวออนลูกพี่ลูกน้องที่หนักกว่า ( SN: 5/13/17, p. 16 ) ซึ่งขัดกับแบบจำลองมาตรฐานซึ่งบอกว่าอิเล็กตรอนและมิวออนควรปรากฏในปริมาณที่เท่ากัน หากพฤติกรรมที่ไม่คาดฝันนี้ยังมีการพิจารณาอย่างถี่ถ้วน ทฤษฎีนี้ต้องมีบางสิ่งที่ยิ่งใหญ่ บีมีซอนยังมีส่วนร่วมในกระบวนการที่เรียกว่าการละเมิด CP ซึ่งปฏิสสารและสสารไม่ได้ทำตัวเหมือนภาพสะท้อนในกระจกที่สมบูรณ์แบบ
การศึกษาการละเมิด CP อาจช่วยให้นักวิทยาศาสตร์เข้าใจว่าเหตุใดจักรวาลจึงประกอบด้วยสสารไม่ใช่ปฏิสสาร ในบิกแบง สสารและปฏิสสารถูกผลิตขึ้นในขนาดที่เท่ากันและควรจะทำลายล้างจนกลายเป็นความว่างเปล่า แต่อย่างใด สสารได้เปรียบกว่า เป็น “คำถามพื้นฐานที่สุดที่มนุษย์สามารถถามได้ … ‘เรามาที่นี่ทำไม’ Robert Seddon นักศึกษาปริญญาโทสาขาฟิสิกส์กล่าว
เหมือนหัวหอมเครื่องตรวจจับแต่ละชั้นมีจุดประสงค์ที่แตกต่างกัน ชั้นในสุดจะมองเห็นรอยทางที่อนุภาคเคลื่อนผ่านเครื่องตรวจจับ ไกลออกไป เซ็นเซอร์จะบอกอนุภาคหนึ่งจากอีกอนุภาคหนึ่งและวัดพลังงานของอนุภาค ส่วนนอกสุดจะมองเห็นมิวออนและอนุภาคอื่นๆ ที่สามารถเคลื่อนที่ได้ไกลขนาดนั้น เมื่อคันเร่งทำงาน มันจะสร้างสภาพแวดล้อมที่มีรังสีสูงในห้องแล็บที่เซดดอนแห่งมหาวิทยาลัยแมคกิลล์ในมอนทรีออล เรียกว่า “เกินขีดจำกัดโดยสิ้นเชิง เข้าไปเถอะ ให้ตายเถอะ”
การแยกวิเคราะห์อนุภาคควอตซ์จากห้องปฏิบัติการที่เก่าแก่ประกอบขึ้นเป็นเซ็นเซอร์ที่แยกแยะอนุภาคประเภทต่างๆ การสร้างเซ็นเซอร์จำเป็นต้องมีการติดแถบควอตซ์ที่ยาวกว่าหนึ่งเมตรเข้าด้วยกัน โดยจัดให้อยู่ในแนวเดียวกันอย่างแม่นยำภายใน 10 ไมครอน ซึ่งมีขนาดใกล้เคียงกับเซลล์เม็ดเลือดแดงของมนุษย์ การขีดข่วนหรือรอยเปื้อนของควอตซ์ทำให้เกิดความเสียหาย ดังนั้นการจัดการแถบจึงสัมผัสที่นุ่มนวล นักฟิสิกส์ที่เพิ่งเดินทางมาจากต่างประเทศถูกห้ามไม่ให้ทำงาน นักฟิสิกส์ Saurabh Sandilya จากมหาวิทยาลัย Cincinnati กล่าว; ไม่มีที่ว่างสำหรับความซุ่มซ่ามที่เกิดจากอาการเจ็ทแล็ก บาคาร่า
