Stor Hadron Collider vänder 10: Här är varför det är viktigare än någonsin

Tio år! Tio år sedan starten av operationen för Large Hadron Collider (LHC), en av de mest komplexa maskinerna någonsin skapats. LHC är världens största partikelaccelerator, begravd 100 meter under franska och schweiziska landsbygden med en 17 mil omkrets.

Den 10 september 2008 cirkulerades protoner, centrum av en väteatom, runt LHC-acceleratorn för första gången. Spänningen var dock kortvarig eftersom den 22 september inträffade en händelse som skadade mer än 50 av LHC: s mer än 6 000 magneter - vilket är avgörande för att hålla protonen kvar på sin cirkulära väg. Reparationer tog mer än ett år, men i mars 2010 började LHC kollidera protoner. LHC är kronjuvelen i CERN, det europeiska partikelfysiklaboratoriet som grundades efter andra världskriget som ett sätt att återförena och bygga om vetenskapen i krigshärdat Europa. Nu utförs forskare från sex kontinenter och 100 länder där.

Du kanske undrar vad LHC gör och varför det är en stor sak. Stora frågor. LHC kolliderar två strålar av protoner tillsammans vid de högsta energier som någonsin uppnåtts i ett laboratorium. Sex experiment som ligger runt 17-milsringen studerar resultaten av dessa kollisioner med massiva detektorer byggda i underjordiska grottor. Det är vad, men varför? Målet är att förstå naturen hos universums mest grundläggande byggstenar och hur de interagerar med varandra. Detta är grundläggande vetenskap på sin mest grundläggande.

LHC har inte besvikit. En av de upptäckter som gjorts med LHC inkluderar den eftertraktade Higgs bosonen, som förutspåddes 1964 av forskare som arbetar för att kombinera teorier om två av de grundläggande krafterna i naturen.

Jag arbetar med ett av de sex LHC-experimenten - Compact Muon Solenoid-experimentet som är utformat för att upptäcka Higgs boson och leta efter tecken på tidigare okända partiklar eller krafter. Min institution, Florida State University, gick med i Compact Muon Solenoid-samarbetet 1994 när jag var en ung doktorand på en annan skola som arbetar med ett annat experiment på ett annat laboratorium. Planeringen för LHC går tillbaka till 1984. LHC var svårt att bygga och dyra - 10 miljarder euro - och tog 24 år att komma till växt. Nu firar vi 10 år sedan LHC började fungera.

Upptäckter från LHC

Den viktigaste upptäckten att komma från LHC hittills är upptäckten av Higgs boson den 4 juli 2012. Meddelandet gjordes på CERN och fängslade en världsomspännande publik. Faktum är att min fru och jag såg den via webcast på vår storskärms-TV i vårt vardagsrum. Sedan meddelandet var klockan 3 på Florida, gick vi till pannkakor på IHOP för att fira efteråt.

Higgs bosonen var den sista återstående delen av vad vi kallar standardmodellen för partikelfysik. Denna teori täcker alla kända grundpartiklar - 17 av dem - och tre av de fyra krafter genom vilka de interagerar, även om tyngdkraften ännu inte ingår. Standardmodellen är en otroligt välprövad teori. Två av de sex forskarna som utvecklade den del av standardmodellen som förutspår Higgs boson vann Nobelpriset 2013.

Jag är ofta frågad, varför fortsätter vi att springa experiment, krossa protoner, om vi redan har upptäckt Higgs boson? Är vi inte färdiga? Jo, det finns fortfarande mycket att förstå. Det finns ett antal frågor som standardmodellen inte svarar på. Till exempel visar studier av galaxer och andra storskaliga strukturer i universum att det finns mycket mer materia där ute än vi observerar. Vi kallar denna mörka materia eftersom vi inte kan se den. Den vanligaste förklaringen hittills är att mörk materia är gjord av en okänd partikel. Fysiker hoppas att LHC kan kunna producera denna mysterypartikel och studera den. Det skulle vara en fantastisk upptäckt.

Bara i förra veckan meddelade ATLAS- och Compact Muon Solenoid-samarbeten den första observationen av Higgs bosonförfall eller splittring i bottenkvarkar. Higgs bosonen faller på många olika sätt - några sällsynta, några vanliga. Standardmodellen gör förutsägelser om hur ofta varje typ av förfall händer. För att fullt ut testa modellen måste vi observera alla förutspådda förfall. Vår senaste observation överensstämmer med standardmodellen - en annan framgång.

Fler frågor, fler svar att komma

Det finns många andra pussel i universum och vi kan kräva nya teorier om fysik för att förklara sådana fenomen - som materia / anti-asymmetri för att förklara varför universum har mer materia än anti-materia eller hierarkiproblemet att förstå varför tyngdkraften är så mycket svagare än de andra krafterna.

Men för mig är sökandet efter ny, oförklarlig data viktig eftersom varje gång fysikerna tror att vi alla har tänkt ut, ger naturen en överraskning som leder till en djupare förståelse av vår värld.

LHC fortsätter att testa standardmodellen för partikelfysik. Forskare älskar när teorin matchar data. Men vi brukar lära oss mer när de inte gör det. Det betyder att vi inte helt förstår vad som händer. Och det är för många av oss LHC: s framtida mål: att upptäcka bevis på något vi inte förstår. Det finns tusentals teorier som förutsäger ny fysik som vi inte har observerat. Vilka är rätt? Vi behöver en upptäckt för att få veta om någon är korrekt.

CERN planerar att fortsätta LHC-verksamheten under lång tid. Vi planerar uppgraderingar till acceleratorn och detektorerna så att den går igenom 2035. Det är inte klart vem som ska gå i pension först, jag eller LHC. För tio år sedan väntade vi ängsligt på de första strålarna av protoner. Nu är vi upptagna att studera en mängd data och hoppas på en överraskning som leder oss till en ny väg. Här ser vi fram emot de närmaste 20 åren.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation by Todd Adams. Läs den ursprungliga artikeln här.