211service.com
Inte din standardmodellfysiker
Professor Janet Conrad är på jakt efter att hitta den svårfångade spökpartikeln – och vända fysiken på huvudet. 23 oktober 2018
Fotoillustration av Janet Conrad Originalfoto av Cassandra Klos
Sommaren 2005, vid en bankettmiddag som anordnades i ett svenskt slott för några av världens ledande fysiker, gjorde Janet Conrad en vadslagning.
Under flera kurser och mycket vin sparrade Conrad, då fysikprofessor vid Columbia University, lekfullt med Nobelpristagaren och MIT-fysikern Frank Wilczek om Higgs-bosonen, en fundamental partikel som förutspåddes existera av Fysikstandarden men som hade undgått allt. försök till upptäckt. Att hitta Higgs skulle vara nyckeln till att lösa mysteriet om hur partiklar får massa.
Fysiker som hoppades kunna observera den svårfångade partikeln satte sina förhoppningar till Large Hadron Collider, världens mest kraftfulla partikelaccelerator, som då var under uppbyggnad i grottformiga tunnlar nära de schweiziska alperna. LHC designades för att slå ihop strålar av protoner och tunga joner med nära ljusets hastighet. I efterdyningarna förväntade sig fysiker att se tecken på Higgs-bosonen, tillsammans med andra nya fysiska fenomen.
Conrad, en själverkänd kontrarian, ställde en kontrarisk fråga: Tänk om LHC inte upptäckte Higgs? Hon hade anledning att tro att även om partikeln borde finnas, så skulle den finnas inom ett energiområde som detektorn inte skulle kunna ta upp. Efter en livlig debatt slogs en satsning, klottrad på ett anteckningsblock: en Higgs-upptäckt skulle gynna Wilczek, medan ingen upptäckt skulle rättfärdiga Conrad. Insatserna: chokladkopior av Nobelmedaljen, endast tillgänglig på Nobelmuseet i Sverige.
Den 4 juli 2012 förlorade Conrad vadet när fysiker rapporterade att LHC hade upptäckt en ny partikel som liknade den länge eftersökta Higgs-bosonen – en upptäckt som fick resonans över hela fysikvärlden. När nyheten kom var Conrad på Fermi National Accelerator Laboratory utanför Chicago, mitt i ett experiment. Hon värvade en vän från Stockholms universitet för att köpa chokladen, som fraktades till New York av en besökande fysiker från Columbia University och sedan till Chicago av en postdoc på väg till Fermilab. Conrad flög dem sedan tillbaka till Cambridge på väg till en konferens och lämnade 10 orörda, osmälta choklad Nobels med sin syster, som levererade dem till Wilczeks MIT-kontor.
De New York Times innehöll vadet i en liten text, tillsammans med en tecknad serie som skildrar den bysantinska avvägningen – en inramad kopia av vilken hänger på Conrads MIT-kontorsvägg. Hon satsade på att Higgs inte skulle existera i de energier som LHC kunde undersöka, förklarar hon, eftersom det var så mycket bättre än Higgs som existerade [där], enligt min mening.
Med andra ord, att inte hitta Higgs-bosonen där så många fysiker förväntade sig att den skulle vara skulle ha avslöjat en seismisk spricka i standardmodellen, en teori som fysikgemenskapen har förlitat sig på i årtionden för att beskriva de grundläggande krafterna och partiklarna i universum. En sådan teoretisk omskakning skulle ha avslöjat en värld av nya fysiska okända.
Cassandra Klos; Hår och smink av Laura Dillon
Det är en partikel vars personlighet jag gillar; det är en mycket oberoende partikel.
Jag tycker inte att vår standardmodell är så vettig, säger Conrad. Det passar ihop väldigt bra: du kan ta delar av det och förutsäga andra delar av det, vilket är en riktigt imponerande sak. Och ändå … [det inkluderar] värden som vi inte kan förklara. Jag är övertygad om att detta inte är hela historien. Och jag är verkligen intresserad av att leta runt för att ta reda på vad hela historien är.
Conrad, som började på MIT:s fysikfakultet 2008, har ägnat sin karriär åt att leta efter onormala experimentella resultat som andra antingen har diskonterat eller utan tvekan accepterat som fakta. Det jag tycker är mest övertygande är när ett experiment har sett något intressant, och jag vill ta reda på: gjorde de ett misstag, eller berättar naturen faktiskt något nytt för oss? hon säger. Det är det roligaste för mig.
Den fascinationen för anomalier har lett henne på en jakt efter en partikel som är mycket mer svårfångad än Higgs-bosonen. Och om hon hittar det kommer hon verkligen att vända på standardmodellen för fysik.
Neutrinojägare
I mitten av 1990-talet rapporterade fysiker vid Los Alamos National Laboratory i New Mexico en oväntad och fortfarande kontroversiell signal i Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND). Detektorn är i grunden utformad för att räkna neutriner - oändligt små, nästan oupptäckbara partiklar som tros överträffa alla universums vanliga materiapartiklar, såsom elektroner och neutroner, med en miljard till en. Trots sin genomträngning kallas neutriner ofta spöklika eftersom de är djävulskt svåra att mäta: förutom att de är extremt små, har de ingen laddning, så de interagerar mycket sällan med vanlig materia och kan strömma genom varje cell i vår kropp – även genom tusentals ton av granit och stål – utan att rufsa en enda molekyl.
LSND består av en tank ungefär lika stor som en stadsbuss, fylld med mineralolja, och är utformad för att ta emot en stråle av neutriner från en närliggande accelerator. Ljusdetektorer som kantar tanken registrerar små blixtar som produceras av inkommande neutriner som krossas i kolkärnor i oljan, som är en naturlig scintillator - det vill säga den blir självlysande när den exciteras av joniserande strålning. Mönstret och tidpunkten för interaktioner kan berätta för forskare något av den typ av neutriner som strömmade genom tanken.
Enligt standardmodellen borde neutriner finnas i tre varianter eller smaker - en elektronneutrino, en myonneutrino och en tau-neutrino. Men 1994 rapporterade fysiker att LSND hade räknat fler elektronneutriner än förutspått. Fysikerna lägger fram en chockerande teori: att detta kan förklaras av existensen av en helt ny partikel, en steril neutrino, som endast interagerar med gravitationen och inte alls med vanlig materia.
Resultaten möttes av intensiv skepsis. Om den sterila neutrinon existerade skulle det indikera ett fenomen som standardmodellen inte kan förklara. Det kan också hjälpa till att förklara mörk materia, som utgör ungefär en tredjedel av universums materia men inte avger eller reflekterar ljus. Medan andra borstade bort resultaten som ett fel som måste ha någon rationell förklaring i linje med fysikens etablerade regler, tog Conrad anomalien som en möjlighet.
Strax innan hade hon avslutat sitt examensarbete i högenergifysik vid Harvard University. Nästan alla hon kände inom sitt område var på väg att gå med i stora samarbeten av forskare som arbetar med partikelacceleratorer för att söka efter toppkvarken, den mest massiva av alla elementarpartiklar som förutspåtts av standardmodellen, som ännu inte hade upptäckts. Conrad, som gick emot strömmen, hade bestämt sig för att slå ut i jakten på den sterila neutrinon och startade en postdoc vid Columbia University 1993.
Jag minns att jag tog det här beslutet i mitt liv och fick en kollega att säga: 'Janet, du är för bra för att göra det', säger Conrad. Men det är en partikel vars personlighet jag gillar; det är en mycket oberoende partikel.
1995 började Conrad på fysikfakulteten vid Columbia och började bygga sin forskargrupp. Hon sådde också frön till en ny partikeldetektor designad speciellt för att bevisa eller motbevisa LSND-resultaten: Mini Booster Neutrino Experiment, eller MiniBooNE. Hennes idé var att skicka strålar av neutrinos ner i en 500 meter lång tunnel till en enorm sfärisk tank, cirka 12 meter i diameter, fodrad med 1 200 ljussensorer och fylld med 800 ton mineralolja. Även om de sällan interagerar med annan materia, skulle neutriner som råkade kollidera med en kolatom i mineraloljan lämna energispår, vilket gör det möjligt att identifiera deras smak. Neutrinos är faktiskt kända för att svänga från en smak till en annan när de rör sig genom rymden, men så länge de pendlar mellan de tre standardsmakerna bör det totala antalet förbli stabilt. En dopp i summan skulle tyda på att vissa har förvandlats till sterila neutriner, som är ännu svårare att upptäcka; en ökning av summan skulle tyda på att vissa sterila neutriner har förvandlats till de andra smakerna. Genom att räkna typen och antalet neutriner MiniBooNE detekterade vid höga energier kunde Conrad och hennes team leta efter tecken på konstiga, oförutsägda överskott, i linje med LSND:s resultat vid låga energier.
Conrad säkrade finansiering för att bygga detektorn på Fermilab, där Booster - en partikelaccelerator med en omkrets på 474 meter - skulle producera neutrinerna som ska analyseras. 2007 rapporterade hon och ett expanderande MiniBooNE-samarbete sina första resultat: det verkade inte finnas ett överskott av elektronneutriner, åtminstone i de höga energiområdena som LSND-resultaten vid låga energiområden förutspådde. Dessa initiala resultat verkade motbevisa existensen av en fjärde, steril neutrino. Men MiniBooNE registrerade ett mystiskt överskott av elektronneutriner vid lägre energier - ett fynd som forskarna inte kunde förklara.
Cassandra Klos
Jakten på den sterila neutrinon är långt ifrån över, eftersom flera experiment har visat motstridiga resultat. En källa till dessa resultat är IceCube Neutrino Observatory, baserat på Amundsen-Scott South Pole Station. IceCube består av mer än 5 000 ljussensorer, hängda i vertikala strängar som sträcker sig ner mer än 2 450 meter in i den antarktiska isen. Detektorn är utformad för att fånga upp spår av neutriner som inte kommer från acceleratorer på jorden utan från extrema källor i kosmos, såsom kärnor av exploderande stjärnor och centra i aktiva galaxer. När de passerar genom is producerar de myoner, elektriskt laddade sekundära partiklar som avger ljus. Genom att analysera ljuset som fångas upp av IceCubes sensorer kan forskare räkna neutrinerna och bestämma vinkeln med vilken de passerar genom isen. Conrad är bland 300 forskare som letar efter tecken på sterila neutriner, tillsammans med andra neutrinorelaterade fenomen, i partiklarna som strömmar genom detektorn. (I september 2017 spårade de till exempel en kosmisk neutrino med hög energi till dess källa, en blazar cirka 3,7 miljarder ljusår bort.)
Under 2016 kom IceCubes sökning efter den sterila neutrinon tom: forskare hade inte hittat några tecken på partikeln bland 100 000 neutrinohändelser som plockades upp av detektorn. De drog slutsatsen med 99 procents säkerhet att partikeln inte existerar inom det intervall som de kunde utforska.
Och ändå finns det fortfarande en chans att det finns där ute. I juni tillkännagav Conrad och hennes MiniBooNE-kollegor att experimentet återigen hade upptäckt ett överskott av elektronneutriner i lågenergiområdet, och den här gången var det tydligt att resultaten inte var en statistisk slump utan ett troligt tecken på något bortom de tre huvudneutrinerna smaker.
Med förslaget om bevis för sterila neutriner har hon slängt in en bomb i ämnet, och nu måste vi se om det exploderar, säger Wilczek. Om hennes indikation håller i sig kommer det att rubba några av våra idéer om hur man kan uppnå en enhetlig teori om de grundläggande krafterna. Det kommer att innebära att vi inte är så nära att lösa problemet som vissa av oss tror att vi är.
Det är inte den sterila neutrinon vi letade efter, men det kan vara en ändå, säger Conrad om de nya resultaten. Och det är ett tydligt tecken på att wow, det här är något vi inte förstår, vilket är en rolig, frustrerande plats att vara på.
Conrad och hennes grupp står i spetsen för en ökande jakt. Vi var verkligen där ute längst ut på gränsen, säger hon. Ingen brydde sig om oss; vi var i vårt eget hörn. Och eftersom vi och andra experiment har tagit mer data, och det finns fler signaler som ser ut att kunna finnas en extra neutrino, har människor blivit mycket mer intresserade.
Att tänka om partikelacceleratorer
Strax efter att MiniBooNE rapporterade sina första resultat 2007, lämnade Conrad Columbia University och började på MIT-fakulteten.
Att byta jobb då och då är inte en dålig sak, men det brukar inte vara vad fastanställda lärare gör, säger hon. Men en del av anledningen till att människor byter jobb är att det ger dem nya kreativa insikter. Och det är verkligen vad som hände mig.
På MIT:s fysikavdelning hittade Conrad en samling teoretiska och experimentella idéer. Och när hon väl flyttade in på sitt kontor i huvudkorridoren på MIT:s Laboratory for Nuclear Science började hon utveckla en partikelaccelerator i rumsstorlek.
Neutrinoexperiment hade alltid krävt enorma acceleratorer för att få protoner nära ljusets hastighet, vid vilken punkt partiklarna kunde producera tillräckligt många neutriner för detektorer som MiniBooNE att analysera. Neutrinoexperiment och partikelfysik i allmänhet har i princip blivit större och större, säger Conrad. Vi tar samma teknik som vi redan har, och vi fortsätter bara att expandera och multiplicera den.
Istället för att gå längre i den riktningen bestämde sig Conrad för att leta efter sätt att bygga en partikelaccelerator lika kraftfull som de som sträckte sig över flera kilometer i en bråkdel av utrymmet. Mindre acceleratorer, resonerade hon, kunde byggas billigt och placeras nära vilken stor neutrinodetektor som helst, vare sig det är mitt i en prärie, som i Fermilab, eller djupt under bergen.
En design började ta form efter att hon deltog i ett föredrag om cyklotroner - apparater i rumsstorlek som slungar ut laddade partiklar från deras centrum via ett magnetfält och accelererar dem längs radiofrekvensvågor, ungefär som surfare åker på havsvågor.
Det är en sann MIT-historia i den meningen att jag satt här och jobbade bort, hade för mycket att göra, och någon sa: 'Vill du gå över för att höra om den här nya cyklotronen?'' minns Conrad. Så jag gick och satt där och pratade, och jag tänkte: 'Det är mina drömmars accelerator.'
Sedan 1930-talet har cyklotroner använts för att producera protonstrålar för experiment inom kärnfysik. Men antalet protoner som de kunde accelerera var begränsat, och när större, kraftfullare acceleratorer kom till platsen, användes cyklotroner för att snurra upp protonstrålar som syftade till att döda cancertumörer. Conrad letade efter sätt att öka antalet protoner som en cyklotron kan accelerera och hon hittade en lösning i vätemolekylen H2+, som är gjord av två protoner som hålls samman av en elektron. Om dessa vätemolekyler pumpades in i en cyklotron, skulle deras elektroner i princip flyga iväg och lämna två protoner för varje molekyl - vilket innebär att dubbelt så många kan vara tillgängliga för att producera neutriner och andra exotiska partiklar.
Hon och hennes elever bygger för närvarande en cyklotronaccelerator vid MIT, som hon kallar IsoDAR, för isotopnedbrytning i vila, den process genom vilken cyklotronens protoner skulle förfalla till neutriner. När miniacceleratorn väl är konstruerad – helst 2022, om allt går som det ska – förväntas miniacceleratorn passa in i ett område som är lika stort som ett rymligt vardagsrum. Hon hoppas också kunna bygga en lite större, kraftfullare version, Daedalus, som fortfarande skulle vara en bråkdel så stor som nuvarande neutrino-genererande acceleratorer - en storlek som lätt skulle kunna passa in i MIT-kupolen. Om dessa små acceleratorer placerades bredvid några av världens känsligaste detektorer, tror Conrad, skulle de avsevärt kunna främja sökandet efter den sterila neutrinon.
De kan gå en storleksordning längre för att utforska utrymmet för sterila neutriner, jämfört med alla andra experiment idag, säger hon. För att kunna göra det försöker vi tänka väldigt annorlunda.
En oberoende rad
Conrad kommer att vara den första att erkänna att hon inte är din genomsnittliga partikelfysiker. Särskilt tidigt i sin karriär var hon en av få kvinnor som deltog i seminarier och konferenser.
Jag skulle inte vara i det här fältet om jag inte var okej att vara den enda kvinnan på vissa ställen, säger hon. Det finns en viss fördel med att vara kvinna i den meningen att du uppenbarligen redan är annorlunda. Du är inte standardmodellfysikern.
Detta framträder särskilt i Conrads föredrag vid möten och konferenser, där hon ofta med glädje tillskriver vissa elementarpartiklar personligheter, och jämför kvarkar – som kan vara så höga att de skymmer alla andra partikelsignaler – med att mena tjejer och de tysta, ständigt närvarande. neutrino till flickan bredvid.
Lindley Winslow, biträdande professor i fysik vid MIT, minns att hon såg Conrad tala för första gången, när hon deltog i ett årligt fysikmöte som college-junior. Det var verkligen inspirerande att se, minns Winslow. Det var inte bara en kvinna som höll ett föredrag, utan hon var också fri att vara söt. Och hon hade roligt med det, och gjorde det väldigt mycket som kvinna, inte som en kvinna som låtsades vara en man.
Conrad rekryterade så småningom Winslow som sin första postdoc vid MIT och har arbetat hårt för att locka andra kvinnor till MIT:s fysikavdelning, både på forskarnivå och fakultetsnivå. Kvinnor utgjorde bara 13,7 procent av institutets doktorander i fysik 2007, men som chef för institutionens antagningsprocess har Conrad hjälpt till att öka det.
Jag är otroligt stolt över att vi är 23 procent kvinnor i nästa klass, säger hon. Min stora förhoppning är att vi kommer upp till 33 procent.
På fakultetsnivå ser Conrad en större utmaning. MIT:s fysikavdelning - en av de största i landet - har bara 12 kvinnor på sin fakultet på cirka 100, av vilka fyra har gått med under de senaste åren.
Vi har gått från åtta till 12 – det är en stor delökning, säger hon. Men ärligt talat ligger det här ganska långt efter [andra fysikprogram]. Så hon arbetar för att öka antalet och kollar regelbundet in hos kvinnorna på fysikfakulteten nu, som hon säger är villiga att gå ut och prova saker och inte är rädda för att ramla och ta sig upp igen.
Den här självständiga streaken är något Conrad letar efter hos de studenter som vill gå med i hennes forskargrupp. Det beror delvis på att hon gör det till en poäng att skicka sina elever direkt till platserna där neutrinoexperiment finns, som Fermilab, där forskare driver MiniBooNE och MicroBooNE, och Madison, Wisconsin, där de tar emot och analyserar IceCube-data.
Om de är på sin lilla ö här kanske de gör ett bra jobb, men folk vet inte riktigt, säger Conrad. Det är väldigt viktigt att vara där och vara central och vara en av nyckelpersonerna som är väldigt synliga. Och det ger dig en mycket bredare syn på världen.
Conrad försöker själv vara närvarande så mycket som möjligt vid sina experiment, särskilt på Fermilab, där hon reser så ofta att hon och hennes man har behållit ett andra hus i Illinois sedan Conrad var doktorand. Jag går dit så ofta jag kan, och skypar min grupp hela tiden, säger hon. De kommer att få tusen e-postmeddelanden från mig under en helg, för min vana är att lägga in en tanke – sedan utvecklas tanken efter en timme och jag skickar ett nytt e-postmeddelande. Så de kommer tillbaka och säger 'Omigod.'
Conrads liv verkar faktiskt vara upptaget av fysik, och lyckligtvis så. Även om hon gillar trädgårdsarbete och brukade hjälpa sin far att föda upp championdahlior, håller hon sig i dessa dagar till att odla prästkragar som kräver lite underhåll. Jag har inte tid att få en dahlia att se ut som jag vill, säger hon, och jag vill inte ha sjaskiga dahlior.
För Conrad är fysik inte bara hennes jobb, utan hennes hobby – allt uppslukande och framför allt roligt. Så hon fortsätter att leda jakten på neutrinoanomalier och att samla sina kollegor för att gå med i jakten. Efter att ha byggt upp fallet att det är möjligt att alla dessa tips stämmer överens, säger Winslow, har Conrad övertygat samhället om att det är viktigt att fortsätta sökandet för att antingen bekräfta eller motbevisa existensen av sterila neutriner. Med alla som älskar något så här mycket vill du inte stå i vägen, säger Winslow. Vi måste gå ut och titta.
Hur man ser en neutrino
På 1960-talet utvecklade forskare bubbelkammare för att studera den svårfångade neutrinon. När en neutrino kolliderar med en kärna producerar den laddade partiklar. Om detta händer inuti en bubbelkammare, som är fylld med trycksatt vätska, lämnar de laddade partiklarna ett spår av frigjorda elektroner när de färdas genom vätskan. När vätska förångas runt dessa elektroner bildas mikroskopiska bubblor som dokumenterar kollisionsplatsen och partiklarnas vägar. Genom att släppa trycket i kammaren kan bubblorna expandera tills de är tillräckligt stora för att fotograferas. Även om sådana bilder är vackert detaljerade, är processen att fånga dem tids- och arbetskrävande.
Janet Conrad och flera kollegor hade en idé om att bygga en detektor som kunde samla in digitala register över neutriner med liknande precision men mycket större effektivitet. Hon blev en av grundarna av en grupp medarbetare som designade och byggde den 170 ton tunga MicroBooNE neutrinodetektorn, som började registrera neutriner som genererades av Fermilabs Booster-accelerator 2015. När neutriner går in i MicroBooNEs högspänningsfältbur, som är fylld med flytande argon , interagerar de med argon och skapar laddade partiklar. När dessa laddade partiklar rör sig genom detektorn frigör de elektroner i argon, vilket skapar ett joniseringsspår. De laddade partiklarna exciterar också argon och producerar ljus.
Spår av elektroner som frigörs efter att en neutrino har kolliderat med en kärna avbildas i ett bubbelkammarefotografi (vänster) och en digital MicroBooNE-bild (höger). MicroBooNE:s fotomultiplikatorrör (nedan) står redo att upptäcka ljus som produceras av laddade partiklar skapade av en neutrinokollision.
De frigjorda elektronerna driver till guldbelagda ledningar installerade på lågspänningssidan av fältburen. När extremt känsliga ljusdetektorer kända som kryogena fotomultiplikatorrör upptäcker det medföljande ljuset — indikerar att elektronerna driver till ledningarna — varje elektrons laddning registreras. Dessa data kan användas för att rekonstruera en 3D-bild av neutrinons väg.
Med tillstånd av Janet CONrad
MicroBooNE kan spela in en miljon gånger så många neutrinohändelser som en bubbelkammare på samma tid. Och djupinlärning kan användas för att analysera det stora antalet digitala bilder som den producerar. När du söker efter bevis på en aldrig tidigare skådad variant av en redan svårfångad partikel, är förmågan att samla in och analysera enorma mängder data avgörande.