211service.com
Ikke din standardmodellfysiker
Professor Janet Conrad er på oppdrag for å finne den unnvikende spøkelsespartikkelen – og snu fysikken på hodet. 23. oktober 2018
Fotoillustrasjon av Janet Conrad Originalfoto av Cassandra Klos
Sommeren 2005, på en bankettmiddag som ble arrangert i et svensk slott for noen av verdens ledende fysikere, satset Janet Conrad.
Over flere kurs og mye vin sparret Conrad, den gang fysikkprofessor ved Columbia University, lekent med nobelprisvinneren og MIT-fysikeren Frank Wilczek om Higgs-bosonet, en grunnleggende partikkel som ble spådd å eksistere av standardmodellen for fysikk, men som hadde unngått alt. forsøk på oppdagelse. Å finne Higgs ville være nøkkelen til å løse mysteriet om hvordan partikler får masse.
Fysikere som håpet å observere den unnvikende partikkelen satte sitt håp til Large Hadron Collider, verdens kraftigste partikkelakselerator, som da var under bygging i huletunneler nær de sveitsiske alpene. LHC ble designet for å knuse sammen stråler av protoner og tunge ioner nær lysets hastighet. I kjølvannet forventet fysikere å se tegn på Higgs-bosonet, sammen med andre nye fysiske fenomener.
Conrad, en selverkjent kontrarianer, stilte et kontrarisk spørsmål: Hva om LHC ikke oppdaget Higgs? Hun hadde grunn til å tro at selv om partikkelen skulle eksistere, ville den eksistere i et energiområde som detektoren ikke ville være i stand til å fange opp. Etter en livlig debatt ble en innsats skrevet på en notisblokk: en Higgs-funn ville favorisere Wilczek, mens ingen oppdagelse ville rettferdiggjøre Conrad. Innsatsen: sjokoladekopier av Nobelmedaljen, kun tilgjengelig på Nobelmuseet i Sverige.
Den 4. juli 2012 tapte Conrad veddemålet da fysikere rapporterte at LHC hadde oppdaget en ny partikkel som lignet det lenge ettersøkte Higgs-bosonet – en oppdagelse som ga gjenklang over hele fysikkverdenen. Da nyheten kom, var Conrad ved Fermi National Accelerator Laboratory utenfor Chicago, midt i et eksperiment. Hun vervet en venn fra Stockholms universitet til å kjøpe sjokoladene, som ble fraktet til New York av en besøkende fysiker fra Columbia University og deretter til Chicago av en postdoktor på vei til Fermilab. Conrad fløy dem deretter tilbake til Cambridge på vei til en konferanse, og etterlot 10 uberørte, usmeltede sjokoladenobeler hos søsteren hennes, som leverte dem til Wilczeks MIT-kontor.
De New York Times inneholdt innsatsen i en liten artikkel, sammen med en tegneserie som skildrer den bysantinske avveiningen – en innrammet kopi av som henger på Conrads MIT-kontorvegg. Hun satset på at Higgs ikke ville eksistere i energiene som LHC kunne undersøke, forklarer hun, fordi det var så mye bedre enn Higgs som eksisterer [der], etter min mening.
Med andre ord, å ikke finne Higgs-bosonet der så mange fysikere forventet at det skulle være, ville ha avslørt en seismisk sprekk i Standardmodellen, en teori som fysikksamfunnet har stolt på i flere tiår for å beskrive de grunnleggende kreftene og partiklene i universet. En slik teoretisk rystelse ville ha avslørt en verden av nye fysiske ukjente.
Cassandra Klos; Hår og sminke av Laura Dillon
Det er en partikkel hvis personlighet jeg liker; det er en veldig uavhengig partikkel.
Jeg synes ikke standardmodellen vår gir mye mening, sier Conrad. Det passer veldig godt sammen: du kan ta deler av det og forutsi andre deler av det, noe som er virkelig imponerende. Og likevel … [det inkluderer] verdier vi ikke kan forklare. Jeg er overbevist om at dette ikke er hele historien. Og jeg er veldig interessert i å lete rundt for å finne ut hva hele historien er.
Conrad, som begynte på MITs fysikkfakultet i 2008, har brukt karrieren sin på å se etter unormale eksperimentelle resultater som andre enten har diskutert eller uten tvil akseptert som fakta. Det jeg finner mest overbevisende er når et eksperiment har sett noe interessant, og jeg vil finne ut: gjorde de en feil, eller forteller naturen oss noe nytt? hun sier. Det er det morsomste for meg.
Den fascinasjonen for anomalier har ført henne på en søken etter en partikkel som er langt mer unnvikende enn Higgs-bosonet. Og hvis hun finner det, vil hun virkelig snu standardmodellen for fysikk på hodet.
Nøytrinojeger
På midten av 1990-tallet rapporterte fysikere ved Los Alamos National Laboratory i New Mexico om et uventet og fortsatt kontroversielt signal i Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND). Detektoren er i hovedsak designet for å telle nøytrinoer - uendelig små, nesten uoppdagelige partikler som antas å overgå alle universets vanlige materiepartikler, som elektroner og nøytroner, med en milliard til en. Til tross for deres utbredelse, kalles nøytrinoer ofte spøkelsesaktige fordi de er djevelsk vanskelige å måle: i tillegg til å være ekstremt små, har de ingen ladning, så de samhandler svært sjelden med vanlig materie og kan strømme gjennom hver celle i kroppen vår – selv gjennom tusenvis av tonn av granitt og stål – uten å rokke ved et eneste molekyl.
LSND består av en tank på størrelse med en bybuss, fylt med mineralolje, og er designet for å motta en stråle av nøytrinoer fra en nærliggende akselerator. Lysdetektorer langs tanken registrerer små blink produsert av innkommende nøytrinoer som knuses inn i karbonkjerner i oljen, som er en naturlig scintillator – det vil si at den blir selvlysende når den eksiteres av ioniserende stråling. Mønsteret og tidspunktet for interaksjoner kan fortelle forskerne noe av typen nøytrinoer som strømmet gjennom tanken.
I følge standardmodellen skal nøytrinoer eksistere i tre varianter, eller smaker - en elektronnøytrino, en myonnøytrino og en tau-nøytrino. Imidlertid rapporterte fysikere i 1994 at LSND hadde telt flere elektronnøytrinoer enn forutsagt. Fysikerne la frem en sjokkerende teori: at dette kan forklares med eksistensen av en helt ny partikkel, en steril nøytrino, som kun samhandler med tyngdekraften og ikke i det hele tatt med vanlig materie.
Resultatene ble møtt med intens skepsis. Hvis den sterile nøytrinoen fantes, ville det indikere et fenomen som standardmodellen ikke kan forklare. Det kan også bidra til å forklare mørk materie, som utgjør omtrent en tredjedel av universets materie, men som ikke sender ut eller reflekterer lys. Mens andre børstet resultatene av som en feil som må ha en rasjonell forklaring i tråd med de etablerte fysikkens regler, tok Conrad anomalien som en mulighet.
Kort tid før hadde hun avsluttet sitt hovedfag i høyenergifysikk ved Harvard University. Nesten alle hun kjente innen sitt felt var på vei for å bli med i store samarbeid mellom forskere som jobber med partikkelakseleratorer for å søke etter toppkvarken, den mest massive av alle elementærpartiklene forutsagt av standardmodellen, som ennå ikke var oppdaget. Conrad, som gikk mot strømmen, hadde bestemt seg for å slå til på leting etter den sterile nøytrinoen, og startet en postdoktor ved Columbia University i 1993.
Jeg husker at jeg tok denne avgjørelsen i livet mitt og fikk en kollega til å si: 'Janet, du er for god til å gjøre det,' sier Conrad. Men det er en partikkel hvis personlighet jeg liker; det er en veldig uavhengig partikkel.
I 1995 begynte Conrad på fysikkfakultetet ved Columbia og begynte å bygge sin forskningsgruppe. Hun plantet også frøene til en ny partikkeldetektor designet spesielt for å bevise eller motbevise LSND-resultatene: Mini Booster Neutrino Experiment, eller MiniBooNE. Ideen hennes var å sende stråler av nøytrinoer ned en 500 meter lang tunnel inn i en enorm sfærisk tank, omtrent 12 meter i diameter, foret med 1200 lyssensorer og fylt med 800 tonn mineralolje. Selv om de sjelden samhandler med andre stoffer, ville nøytrinoer som tilfeldigvis kolliderte med et karbonatom i mineraloljen etterlate energispor, noe som gjorde det mulig å identifisere smaken deres. Nøytrinoer er faktisk kjent for å svinge fra en smak til en annen når de beveger seg gjennom rommet, men så lenge de svinger mellom de tre standardsmakene, bør det totale antallet forbli stabilt. Et fall i totalen vil tyde på at noen har forvandlet seg til sterile nøytrinoer, som er enda vanskeligere å oppdage; en økning i totalen antyder at noen sterile nøytrinoer har forvandlet seg til de andre smakene. Ved å telle typen og antallet nøytrinoer MiniBooNE oppdaget ved høye energier, kunne Conrad og teamet hennes se etter tegn på noen rare, uforutsette utskeielser, i tråd med LSNDs resultater ved lave energier.
Conrad sikret finansiering for å bygge detektoren på Fermilab, der Booster - en partikkelakselerator med en omkrets på 474 meter - ville produsere nøytrinoene som skal analyseres. I 2007 rapporterte hun og et utvidende MiniBooNE-samarbeid sine første resultater: det så ikke ut til å være et overskudd av elektronnøytrinoer, i det minste i de høye energiområdene som LSND-resultatene ved lave energiområder spådde. Disse første resultatene så ut til å tilbakevise eksistensen av en fjerde, steril nøytrino. Men MiniBooNE registrerte et mystisk overskudd av elektronnøytrinoer ved lavere energier - et funn som forskerne ikke kunne forklare.
Cassandra Klos
Jakten på den sterile nøytrinoen er langt fra over, siden flere eksperimenter har vist motstridende resultater. En kilde til disse resultatene er IceCube Neutrino Observatory, basert på Amundsen-Scott South Pole Station. IceCube består av mer enn 5000 lyssensorer, hengt fra vertikale strenger som strekker seg mer enn 2450 meter ned i den antarktiske isen. Detektoren er designet for å fange opp spor av nøytrinoer som ikke stammer fra akseleratorer på jorden, men fra ekstreme kilder i kosmos, for eksempel kjernene til eksploderende stjerner og sentrene til aktive galakser. Når de passerer gjennom is, produserer de myoner, elektrisk ladede sekundære partikler som sender ut lys. Ved å analysere lyset som plukkes opp av IceCubes sensorer, lar forskere telle nøytrinoene og bestemme vinkelen de passerer gjennom isen. Conrad er blant 300 forskere som leter etter tegn på sterile nøytrinoer, sammen med andre nøytrinorelaterte fenomener, i partiklene som strømmer gjennom detektoren. (I september 2017 sporet de for eksempel en kosmisk nøytrino med høy energi til kilden, en blazar omtrent 3,7 milliarder lysår unna.)
I 2016 ble IceCubes søk etter den sterile nøytrinoen tom: Forskere hadde ikke funnet noen tegn til partikkelen blant 100 000 nøytrinohendelser fanget av detektoren. De konkluderte med 99 prosent sikkerhet at partikkelen ikke eksisterer i området de kunne utforske.
Og likevel er det fortsatt en sjanse for at det er der ute. I juni kunngjorde Conrad og hennes MiniBooNE-kolleger at eksperimentet igjen hadde oppdaget et overskudd av elektronnøytrinoer i lavenergiområdet, og denne gangen var det klart at resultatene ikke var et statistisk innslag, men et sannsynlig tegn på noe utenfor de tre hovednøytrinoene. smaker.
Med forslag om bevis for sterile nøytrinoer, har hun kastet en bombe inn i motivet, og nå må vi se om det eksploderer, sier Wilczek. Hvis indikasjonen hennes holder mål, vil det rokke ved noen av våre ideer om hvordan man kan oppnå en enhetlig teori om de grunnleggende kreftene. Det vil bety at vi ikke er så nærme å løse problemet som noen av oss tror vi er.
Det er ikke den sterile nøytrinoen vi lette etter, men det kan være en uansett, sier Conrad om de nye resultatene. Og det er et tydelig tegn på at wow, dette er noe vi ikke forstår, som er et morsomt, frustrerende sted å være.
Conrad og gruppen hennes står i spissen for en utvidet jakt. Vi var virkelig der ute ytterst på grensen, sier hun. Ingen brydde seg om oss; vi var i vårt eget hjørne. Og ettersom vi og andre eksperimenter har tatt mer data, og det er flere signaler som ser ut som det kan være en ekstra nøytrino, har folk blitt mye mer interessert.
Nytenkning av partikkelakseleratorer
Kort tid etter at MiniBooNE rapporterte sine første resultater i 2007, forlot Conrad Columbia University og begynte på MIT-fakultetet.
Å bytte jobb nå og da er ikke en dårlig ting, men det er vanligvis ikke det faste fakulteter gjør, sier hun. Men noe av grunnen til at folk bytter jobb er fordi det gir dem ny kreativ innsikt. Og det var egentlig det som skjedde med meg.
I MITs fysikkavdeling fant Conrad en bikube av teoretiske og eksperimentelle ideer. Og når hun flyttet inn på kontoret sitt i hovedkorridoren til MITs Laboratory for Nuclear Science, begynte hun å utvikle en partikkelakselerator i romstørrelse.
Nøytrino-eksperimenter hadde alltid krevd enorme akseleratorer for å få protoner nær lyshastigheten, på hvilket tidspunkt partiklene kunne produsere nok nøytrinoer til at detektorer som MiniBooNE kunne analysere. Nøytrinoeksperimenter og partikkelfysikk generelt har i utgangspunktet blitt større og større, sier Conrad. Vi tar den samme teknologien vi allerede har, og vi fortsetter å utvide og multiplisere den.
I stedet for å gå lenger i den retningen, bestemte Conrad seg for å se etter måter å bygge en partikkelakselerator like kraftig som de som spenner over flere kilometer i en brøkdel av rommet. Mindre akseleratorer, mente hun, kunne bygges billig og plasseres i nærheten av enhver stor nøytrino-detektor, enten midt på en prærien, for eksempel ved Fermilab, eller dypt under fjellene.
Et design begynte å ta form etter at hun deltok på et foredrag om syklotroner - apparater i romstørrelse som slenger ladede partikler ut fra midten via et magnetfelt og akselererer dem langs radiofrekvensbølger, omtrent som surfere rir på havbølger.
Det er en sann MIT-historie i den forstand at jeg satt her og jobbet borte, hadde for mye å gjøre, og noen sa: ‘Vil du gå bort for å høre om denne nye syklotronen?’’ husker Conrad. Så jeg gikk, og satt der og snakket, og jeg sa: 'Det er drømmenes akselerator.'
Siden 1930-tallet har syklotroner blitt brukt til å produsere protonstråler for eksperimenter i kjernefysikk. Men antallet protoner de kunne akselerere var begrenset, og etter hvert som større, kraftigere akseleratorer kom på banen, ble syklotroner gjenbrukt for å spinne opp protonstråler med sikte på å drepe kreftsvulster. Conrad lette etter måter å øke antallet protoner som en syklotron kan akselerere, og hun fant en løsning i hydrogenmolekylet H2+, som er laget av to protoner holdt sammen av et elektron. Hvis disse hydrogenmolekylene ble pumpet inn i en syklotron, ville elektronene deres i hovedsak fly av, og etterlate to protoner for hvert molekyl - noe som betyr at dobbelt så mange kan være tilgjengelige for å produsere nøytrinoer og andre eksotiske partikler.
Hun og studentene hennes bygger for tiden en syklotronakselerator ved MIT, som hun har kalt IsoDAR, for isotopnedbrytning i hvile, prosessen der syklotronens protoner ville forfalle til nøytrinoer. Når miniakseleratoren først er konstruert – ideelt innen 2022, hvis alt går bra – forventes miniakseleratoren å passe inn i et område på størrelse med en romslig stue. Hun håper også å bygge en litt større, kraftigere versjon, Daedalus, som fortsatt vil være en brøkdel så stor som nåværende nøytrino-genererende akseleratorer - en størrelse som lett kan passe inn i MIT-kuppelen. Hvis disse små akseleratorene ble plassert ved siden av noen av verdens mest følsomme detektorer, mener Conrad, kunne de i stor grad fremme søket etter den sterile nøytrinoen.
De kan gå en størrelsesorden lenger i å utforske rommet for sterile nøytrinoer, sammenlignet med alle andre eksperimenter i dag, sier hun. For å kunne gjøre det, prøver vi å tenke veldig annerledes.
En uavhengig rekke
Conrad vil være den første til å innrømme at hun ikke er din gjennomsnittlige partikkelfysiker. Spesielt tidlig i karrieren ville hun finne seg selv som en av få kvinner som deltok på seminarer og konferanser.
Jeg ville ikke vært i dette feltet hvis jeg ikke hadde det greit å være eneste kvinne noen steder, sier hun. Det er en viss fordel ved å være kvinne i den forstand at du åpenbart er annerledes allerede. Du er ikke standardmodellfysikeren.
Dette kommer spesielt frem i Conrads foredrag på møter og konferanser, hvor hun ofte med glede tilskriver personligheter til visse elementærpartikler, og sammenligner kvarker – som kan være så høye at de skjuler ethvert annet partikkelsignal – med jenter og de stille, alltid tilstedeværende. nøytrino til nabojenta.
Lindley Winslow, en assisterende professor i fysikk ved MIT, husker at hun så Conrad snakke for første gang, da hun deltok på et årlig fysikkmøte som college-junior. Det var virkelig inspirerende å se, minnes Winslow. Ikke bare var det en kvinne som holdt et foredrag, men hun var også fri til å være søt. Og hun hadde det gøy med det, og gjorde det veldig mye som en kvinne, ikke som en kvinne som lot til å være en mann.
Conrad rekrutterte til slutt Winslow som sin første postdoktor ved MIT og har jobbet hardt for å tiltrekke andre kvinner til MITs fysikkavdeling, både på høyere nivå og fakultetsnivå. Kvinner utgjorde bare 13,7 prosent av instituttets fysikkstudenter i 2007, men som leder for avdelingens opptaksprosess har Conrad bidratt til å øke dette.
Jeg er utrolig stolt over at vi er 23 prosent kvinner i neste klasse, sier hun. Mitt store håp er at vi kommer opp i 33 prosent.
På fakultetsnivå ser Conrad en større utfordring. MITs fysikkavdeling - en av de største i landet - har bare 12 kvinner på fakultetet på rundt 100, hvorav fire ble med i løpet av de siste årene.
Vi har gått fra åtte til 12 – det er en stor deløkning, sier hun. Men ærlig talt, dette er ganske langt bak [andre fysikkprogrammer]. Så hun jobber med å øke antallet og sjekker regelmessig inn med kvinnene på fysikkfakultetet nå, som hun sier er villige til å gå ut og prøve ting, og ikke er redde for å falle og ta seg opp igjen.
Denne uavhengige streken er noe Conrad ser etter hos studentene som ønsker å bli med i forskningsgruppen hennes. Det er delvis fordi hun gjør det et poeng å sende studentene sine direkte til stedene der nøytrinoeksperimenter er lokalisert, for eksempel Fermilab, hvor forskere opererer MiniBooNE og MicroBooNE, og Madison, Wisconsin, hvor de mottar og analyserer IceCube-data.
Hvis de er på den lille øya her, kan det hende de gjør en god jobb, men folk vet egentlig ikke det, sier Conrad. Det er veldig viktig å være der og være sentral og være en av nøkkelpersonene som er veldig synlige. Og det gir deg et mye bredere syn på verden.
Conrad prøver seg selv på å være til stede så mye som mulig ved eksperimentene hennes, spesielt på Fermilab, hvor hun reiser så ofte at hun og mannen hennes har beholdt et andre hus i Illinois siden Conrad var en hovedfagsstudent. Jeg går dit så ofte jeg kan, og skyper gruppen min hele tiden, sier hun. De får tusen e-poster fra meg i løpet av en helg, fordi vanen min er å legge inn en tanke – så utvikler tanken seg etter en time og jeg sender en ny e-post. Så de vil komme tilbake og være som «Omigod».
Faktisk ser det ut til at Conrads liv er opptatt av fysikk, og heldigvis. Selv om hun liker hagearbeid, og pleide å hjelpe faren sin med å oppdra mestergeorginer, holder hun seg i disse dager til å dyrke tusenfryd med lite vedlikehold. Jeg har ikke tid til å få en georgine til å se ut slik jeg vil ha den, sier hun, og jeg vil ikke ha shabby georginer.
For Conrad er fysikk ikke bare jobben hennes, men hobbyen hennes – altoppslukende og fremfor alt moro. Så hun fortsetter å lede jakten på nøytrinoanomalier, og å samle kollegene sine til å bli med i jakten. Etter å ha bygget saken på at det er mulig at alle disse hintene stemmer overens, sier Winslow, har Conrad overbevist samfunnet om at det er viktig å fortsette søket for å enten bekrefte eller tilbakevise eksistensen av sterile nøytrinoer. Med alle som elsker noe så mye, vil du ikke komme i veien, sier Winslow. Vi må ut og se.
Hvordan se en nøytrino
På 1960-tallet utviklet forskere boblekamre for å studere den unnvikende nøytrinoen. Når en nøytrino kolliderer med en kjerne, produserer den ladede partikler. Hvis dette skjer inne i et boblekammer, som er fylt med væske under trykk, etterlater de ladede partiklene et spor av frigjorte elektroner når de beveger seg gjennom væsken. Når væske fordamper rundt disse elektronene, dannes det mikroskopiske bobler som dokumenterer kollisjonsstedet og partiklenes veier. Å slippe kammerets trykk lar boblene utvide seg til de er store nok til å bli fotografert. Selv om slike bilder er vakkert detaljerte, er prosessen med å ta dem tid- og arbeidskrevende.
Janet Conrad og flere kolleger hadde en idé om å bygge en detektor som kunne samle inn digitale registreringer av nøytrinoer med tilsvarende presisjon, men mye større effektivitet. Hun ble et grunnleggende medlem av en gruppe samarbeidspartnere som designet og bygde den 170 tonn store MicroBooNE nøytrino-detektoren, som begynte å registrere nøytrinoer generert av Fermilabs Booster-akselerator i 2015. Når nøytrinoer kommer inn i MicroBooNEs høyspente feltbur, som er fylt med flytende argon , samhandler de med argon, og skaper ladede partikler. Når disse ladede partiklene beveger seg gjennom detektoren, frigjør de elektroner i argon, og produserer et ioniseringsspor. De ladede partiklene eksiterer også argon, og produserer lys.
Spor av elektroner som er frigjort etter at en nøytrino har kollidert med en kjerne er avbildet i et boblekammerfotografi (til venstre) og et digitalt MicroBooNE-bilde (til høyre). MicroBooNEs fotomultiplikatorrør (under) står klare til å oppdage lys produsert av ladede partikler skapt av en nøytrinokollisjon.
De frigjorte elektronene driver til gullbelagte ledninger installert på lavspenningssiden av feltburet. Når ekstremt følsomme lysdetektorer kjent som kryogene fotomultiplikatorrør oppdager det medfølgende lyset — som indikerer at elektronene driver til ledningene — hvert elektrons ladning registreres. Disse dataene kan brukes til å rekonstruere et 3D-bilde av nøytrinoens bane.
Med tillatelse fra Janet CONrad
MicroBooNE kan registrere en million ganger så mange nøytrinohendelser som et boblekammer på samme tid. Og dyp læring kan brukes til å analysere det store antallet digitale bilder den produserer. Når du leter etter bevis på en aldri tidligere sett variant av en allerede unnvikende partikkel, er evnen til å samle inn og analysere store datamengder avgjørende.