Illustration: Jim Cooke/Gizmodo

Die Oberschüler, die Jagd nach dem Universum, die Geheimnisse der

Ryan F. MandelbaumToday 9:00amFiled: außerschulische Aktivitäten

Teilchenphysik
Wissenschaft
feature
magnetische monopole
Magnete
fuckin Magnete, wie funktionieren Sie
Teilchen
cern
lhc
large hadron collider

Sie können auch gerne

PaleofutureRiesige Sammlung von Nazi-Artefakte Entdeckt, die im Inneren Geheimen Raum in Argentinienio9Mehr Neue Details zu den Hummel – Spin-OffGizmodo, Wie Katzen Eroberten sich die Menschen Vor Tausenden von JahrenGizmodo, Die Tech-Industrie Führer Ditched the White House, Tech-Gipfel Heute?

Vier britische Schüler hatten gerade aufgerufen wurde aus der Klasse. Sie waren zehn Tage Weg von Ihren A-level-Prüfungen, die diejenigen, die die Richtung bestimmen, den rest Ihres Lebens dauern würde, aber Sie würde unterbrochen von Ihrer Studien zu diskutieren, die die tiefsten Geheimnisse des Universums—Ihre Arbeit, die Jagd nach dem magnetischen Monopol am Large Hadron Collider.

Klar, Sie würde viel lieber studieren, als interviewt werden. Der desinteressierte Truppe saßen an einem Tisch in der Rückseite von einem großen High-School-Wissenschaft-Raum außerhalb von Canterbury in Großbritannien. Die Jugendlichen, keiner älter als 16 ist, wer hätte den frühen Beatles, den passenden Schuluniformen, diskutierten graduate-Ebene Physik.

“Monopole sind selbst sehr ionisierende,” 16-jährige Andrew Nicoll hat es mir gesagt. “4,700 mal mehr als ein proton. Sie werden Energie zu verlieren sehr schnell. Unsere chips sind entworfen, um zu erkennen sehr kurzlebig Monopole.”

Das Monopol ist genau das, was es klingt wie: Ein magnet mit einem pol. Nehmen jeder magnet, und Sie werden feststellen, es hat einen Nord-und einen Südpol. Hacken Sie es in der Hälfte, und Sie haben zwei Magnete mit jeweils einem Nord-und einem Südpol. Halten Sie hacken, und jedes Stück wird immer zwei Pole. Aber das Monopol, wenn es existierte, wäre nur der eine pol. Magnetfeld-Linien, die als eine Verbindung der Nord-und Südseite, würde Schießen in die Unendlichkeit.

Die grundlegenden Gleichungen für Elektromagnetismus, die berühmten Maxwell-Gleichungen, haben offensichtlich die leere, die ein Monopol füllen könnte. Die Gleichungen mit einer magnetischen Ladung, in anderen Worten, ein Monopol ist, wäre symmetrisch mit jedem magnetische Begriff suchen, wie die entsprechende elektrische Begriff. In anderen Worten, die Gleichungen würde einfach schöner Aussehen.

Im Jahre 1894, Marie-Curie-Ehemann Pierre genannt, für die Physiker die Suche nach, dass kostenlos. Paul Dirac zeigte, dass die Existenz der monopole wurde im Einklang mit den Regeln der Quantenmechanik, der physikalischen Theorie über die kleinste bits der Materie. Und viele der großartigsten Theorien des Universums, Theorien, die Sie haben wahrscheinlich gehört der Stringtheorie, M-Theorie, und die ” grand unified theory (GUT) , vereinigt sich die elektromagnetische mit der schwachen und starken nuklearen Kräfte bei hohen Energien erfordern alle ein Monopol. Einige Theorien sagen, es sollte viel von Ihnen.

Bisher haben wir keine gefunden.

Die vier Jungs sind bei der Simon Langton Grammar School for Boys’ neuesten Rekruten beitreten, der Large Hadron Collider ist hundert-Personen-MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC, ausgesprochen ‘meddle’) Zusammenarbeit in Genf, Schweiz, einen neuen Versuch zu finden, das Monopol, und vielleicht auch andere exotische Teilchen.

Angesichts der Zusammenarbeit ist klein, James Pinfold, das experiment der Sprecher, und Dr. Becky Parker, Direktor des Instituts für Forschung in Schulen in Großbritannien, dachte, es war die perfekte chance, um Schülern beteiligt, die in Experimenten der Hochenergiephysik. Parker wünscht sich nichts mehr als zu erhalten Ihre Schüler die Namen auf einer Physik-Papier.

“Die Studenten wollen nicht nur auf die Zusammenarbeit”, sagte Sie. “Wir wollen zeigen, dass junge Menschen zu Spenden.”

Sie wäre ein Beitrag, um die neueste in einer langen Geschichte erfolgloser versuche zu finden, eine fundamentale Teilchen, einige davon aus, dass die nächste Entdeckung in der Leitung nach CERN Higgs-Boson-Ankündigung im Jahr 2012. Aber die Physiker haben auf der Jagd gewesen für das Monopol für eine sehr lange Zeit.

Ein team suchte nach einer Signatur, die elektrischen Strom in den Mond-Felsen, die in den 1970er Jahren. Physiker Buford Preis festgestellt, dass einige energiereiche Teilchen aus dem Weltraum geätzt Spur 33 Platten aus Kunststoff, befestigt an einem Ballon und behauptete, es war ein Beweis für ein Monopol, 1975. Er ging zurück, dass der Abschluss im Jahr 1978, einige sagen, wegen Druck von konkurrierenden teams. Blas Cabrera dachte, er entdeckt in seinem Detektor, einem supraleitenden ring, aber nicht sehen, keine anderen Ereignisse zu bestätigen, die erste war kein Zufall. Andere haben gejagt für das Monopol am CERN, der Large Electron-Positron collider und seine Nachfolger, die derzeit-Betriebs-Large Hadron Collider.

“Wenn wir es entdecken, das Monopol, wäre es einem echten David gegen Goliath-Konfiguration.”

Viele Leute denke und hoffe, dass es existiert, aber das bedeutet nicht, es muss eine form annehmen Wissenschaftler wird jemals erkennen. Vielleicht gleich nach dem Urknall, das Universum ist die inflation ausgebreitet, die Monopole so Dünn, dass Sie wurden nicht nachweisbar. Vielleicht Ihre Masse ist zu hoch, um produziert vom Large Hadron Collider. Wenn das Monopol bestanden, in denen auch die massiven Bereiche, “wir würden nie in der Lage zu produzieren genug Energie auf die Erde, um Sie zu erstellen,” sagte der University of Alberta Physiker Richard Soluk, MoEDAL technischen Koordinator. “Hoffen wir mal Sie sind nicht da,” in die die zu-schwer-zum-erstellen-Bereiche, sagte er.

Pinfold, Physiker an der Universität von Alberta, ist die MoEDAL Zusammenarbeit der Sprecher. Der eifrige professor trug sein weißes Haar nach hinten gekämmt und sein Hemd, die oberen Knöpfe aufgeknöpft, wenn ich ihn besuchte, an der CERN-cafeteria. Ich würde gekauft haben, das experiment hatte er versucht, es zu verkaufen, aber man hat sozusagen ein Verkäufer zu sein, wenn Sie ausgeführt werden, eine hundert-Personen-Zusammenarbeit für eine mehrere Millionen-dollar-experiment, verglichen zu den tausenden von Menschen, die mehrere hundert Millionen dollar ATLAS oder CMS-Experimente. “Unsere Kosten um mindestens den Faktor 100 billiger als die anderen LHC-Experimenten”, sagte er. “Wenn wir es entdecken, das Monopol, wäre es einem echten David gegen Goliath-Konfiguration.”

Trotz MoEDAL s fancy Abkürzung, es ist nichts, wie ATLAS oder CMS am LHC des berühmten mansion-size-Partikel-Erkennung von Metall-Monster. Es scheint der perfekte Detektor für die Mitarbeiter mit Monopol-Jagd auf teenager.

Das experiment lebt in einem Lager hinter einem McDonald ‘ s, neben Rasenflächen und die große Jura-Gebirge. Ihre Lift hat nur zwei Etagen 0 und -1, in eine 300-Fuß-Grube. Unten, vorbei an den riesigen blauen zylindrische Leiche eines aussortierten Partikel-Detektor und über mehrere Meter aus weißem Beton die Abschirmung ist ein riesiges, gelb beleuchteten Höhle, dominiert durch das LHCb-experiment. Das Detektor ist ein gestreiftes, 60-von-30-Fuß seitwärts Pyramide auf der linken Seite der Partikel-Kollision Punkt. Auf der rechten Seite, bis einige Metall-Treppe, in ein studio-apartment-Größe-Winkel rund um die zeigen, das erste, was Sie bemerken, ist eine kleine Blaue LED auf einer platine, die an den Kabeln angeschlossen. Das ist, wenn Sie erkennen, dass die Wände sind gefliest mit flachen Rechtecke aus dickem, transparentem Kunststoff, eingefasst von Aluminium-bars. Jedes Kunststoff-Folie, mit der Bezeichnung: MoEDAL.

Das ist es. Ein paar Wände in Aluminium-liniert, Kunststoff, befestigt an einem winzigen Silizium-Detektor die Aufgabe, mit der Entdeckung der magnetischen monopole. Die CERN-Pressesprecher war so überrascht es zu sehen wie ich—kein journalist geplant hatte, eine Reise, um es in person zu sehen, bevor.

Der Detektor ist einfach, weil es nicht alle es tun muss, und nicht mehr. Ein Monopol entsteht aus der Energie, die von einem paar der kollidierenden Protonen verlassen könnten eine sichtbare Spur in MoEDAL ist Plastik “nuclear track detectors.” Wenn Sie sich erinnern, von der high school Physik, eine regelmäßige zwei-gepolte Magneten, die durch einen gewickelten Draht sendet einen Strom durch den Draht die eine Richtung, dann in die andere Richtung. Ein Monopol ist vorbei durch die Aluminium-Balken sollten zeigen, eine Signatur, wenn der Strom in eine Richtung bewegt, aber nie wieder verschoben. Für die Silizium-pixel-chip, der Konstante Strom von Schutt, der bei den Kollisionen entstehenden Nebel kann den Kunststoff. Die state-of-the-art TimePix-Teilchen-Detektor hilft den Wissenschaftlern am besten verstehen, was der hintergrund Teilchen hast, ist das beschlagen so ist es einfacher, zum Schild gegen Sie in die Zukunft.

Das macht Sie zum idealen experiment, Entwurf Schülern auf, angesichts der Einfachheit. “Nicht als Werbung,” sagte Pinfold. “Sie kann tatsächlich Dinge tun.”

Die Studenten sind Teil des Instituts für Forschung in Schulen (IRIS) Programm, lassen Oberschüler nehmen Teil in der echten Wissenschaft Experimente, wie jene am CERN, der europäischen Weltraumorganisation und der NASA. Immer fröhlich Parker läuft es mit Neugier, Begeisterung und Erregbarkeit könnten Sie wünschte nur, jeder Gymnasiast besaß. Nach dem Besuch der Langton während unserer Fahrt von Canterbury, zog Sie das Auto nur zu schätzen, das Blühende Glockenblumen auf der Seite der Straße. Sie joggt die zwei Schritte aus der Tür zu Ihrem geparkten Auto an der Parkuhr.

Heute, Ihre Schüler konzentrieren sich auf das teeny TimePix-chip, der liefert Momentaufnahmen der Kollisionen, die viele Fotos pro Sekunde, die Aufnahme der Partikel, die es getroffen. Eine Flut von hintergrund-Partikel, die auf dem Ausdruck erscheinen als Punkte (energiereiche Lichtteilchen) kleine Kreise (alpha-Teilchen) und geraden oder geschweiften Linien (Myonen oder Elektronen). Ausbildung einen computer zur Identifizierung dieser Partikel kann schwierig sein. Aber die Leute identifizieren können Sie mit nur ein wenig übung. “Es war unglaublich”, sagte Pinfold. “Die Schüler alle identifiziert die wichtigsten Merkmale, die im wesentlichen einwandfrei.”

Ihre Rolle wuchs schnell identifizieren Teilchen. Anna Evans hat sich seitdem absolvierte Langton und besucht nun die Universität von Manchester, wurde aber auf der MoEDAL team vor ein paar Jahren. Sie und Ihr team half entwickelte sich ein Bürger-Programm für andere Laien zu erkennen helfen, was die monopole Aussehen könnte, wie in der Plastik. Ihre Klassenkameraden wurde bald zum Experten auf dem TimePix-chip. Sie identifizierten Anomalien aufgrund von Toten Pixeln. Sie schrieben Vorschläge, um mehr chips in den Detektor. Sie würde skype in MoEDAL Zusammenarbeit treffen.

Aber Evans und Ihre Klassenkameraden’ Jungen Alter könnte in die Quere kommen bei der Arbeit mit der Zusammenarbeit. “Die Menschen würden nicht erkennen, dass wir Taten, was wir reden”, sagte Sie.

Heute ist die Langton-Studenten sind noch immer brütete über der TimePix-Daten. Und es ist sofort klar, dass diese Kinder sind weit mehr als der Mensch-computer-algorithmen. Die vier Jungen chattete ich mit verzichten Sie auf zu spielen video-Spiele zu hängen nach der Schule versuchen zu ermitteln, welche Teilchen getroffen haben seine teeny Oberfläche. Ein Projekt verwaltet, ein Handwerk Theorien über Ihre Daten und was die monopole Aussehen könnte. Man Poren im Laufe der Forschung versucht zu verstehen, die Hügel der theoretischen Physik erforderlich ist, zu begreifen, deren Teilchen. Sie sezieren die Papiere von arXiv, die Physik Papier preprint-server bietet kostenlosen PDFs.

“Es geht nicht darum, es zu finden”, sagte Nicoll. “Es geht um die Verbesserung der derzeitigen Methode, es zu finden, und lernen, wie man diese steuert und eigene Ideen umsetzen.”

Zweifel an der Studienarbeit zu zerstreuen, wenn Sie öffnen den Mund, sagte Evans. Sicher, “eine Menge von dem Zeug ging über unsere Köpfe,” sagte Evans. Aber Sie sind real Mitwirkenden. “Wenn wir Sprachen über die TimePix-Zeug, verbrachten wir so viel Zeit gewidmet, dass Sie würden aufhören, zu hören und zu sagen, ‘Oh, wow. Dies ist beeindruckend.’”

Parker meint, dass Ihre Schüler gut genug, um zu tun, Physik Zusammenarbeit mit Ihren älteren Kollegen. “Sie werden das Fliegen mit Ideen, wie man zu entwickeln MoEDAL, wie die hintergrund-Strahlung um die chips besser. Ich denke, so oft Sie nur davon ausgehen, dass A – level-Schüler nur lernen, genau das, was Sie haben und nicht dazu beitragen, an der Universität bis zu Ihrem Dritten und vierten Jahr”, sagte Parker. “Diese Studenten haben viel zu bieten, zu warten, bis dann.”

“Es geht nicht darum, es zu finden. Es geht um die Verbesserung der derzeitigen Methode, es zu finden.”

Die Langton ‘ s Studenten sind nicht die einzigen die sich auf den TimePix-Daten, though. Stanislav Pospíšil führt eine Gruppe am Institut für Experimentelle und Angewandte Physik an der Tschechischen Technischen Universität in Prag, die nimmt auch Teil in der MoEDAL Zusammenarbeit und sieht auch an der TimePix-Daten. Ihre Arbeit ist ganz ähnlich wie die Schüler”, sagte Pospíšil, die Analyse der Partikel, dass strike es während einer Partikel-Kollision. Aber “die Menge der Daten ist so gewaltig, dass es gut ist, wenn zwei unabhängige Gruppen bewerten ist”, sagte er.

Doch der TimePix-Analyse kann auch nicht angezeigt werden in einem MoEDAL Papier. “Es wäre nicht direkt beeinflussen unsere Schlussfolgerungen oder Daten-Analyse”, sagt Soluk. Obwohl er sagte, dass es wichtig ist. “Wenn Sie wissen, was [im hintergrund] ist es, Sie in der Lage sein könnte, um Schild gegen Sie.”

MoEDAL ist noch mehr als nur der TimePix-chip. Sobald der LHC-run beendet und die MoEDAL team abrufen können Kunststoff -, Sie ‘ ll haben, es zu analysieren. Die Kunststoff-Blätter Kopf-an ein Labor in Bologna, wo Sie sind behandelt, mit Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid in Alkohol-Lösung, die macht der Monopole’ etchmarks sichtbar unter dem Mikroskop als Kegel in den Kunststoff. Die Forscher können dann tun Sie etwas form von automatisierten Scannen, oder haben Bürger, Wissenschaftler, vielleicht der Langton Studenten, suchen für die monopole. Und wenn Sie gab Ihnen etwas Zeit, um sich vorzubereiten, es gibt nicht wirklich eine Grenze, welche Arten von Aufgaben, die die Kinder machen können.

Und das IRIS-Programm floriert, die nicht nur die MoEDAL. Parker eingeführt hat, das Programm auf über 350 Schulen im ganzen Vereinigten Königreich. Die Schüler werden mithilfe von Daten zu optimieren, die Transport for London-system. In der Tat, Sie erinnern sich vielleicht an einer britischen Studentin, Meilen Soloman, der einen Fehler gefunden in NASA-Daten früher in diesem Jahr war er Teil des IRIS-Programms an seine eigene Schule, arbeiten auf dem TimPix Projekt mit dem TimePix-chip, zu überwachen Strahlung an Bord der Internationalen Raumstation. Die MoEDAL Forschung immer Anerkennung, zu—Studenten, darunter Evans präsentiert Ihre Arbeit an der Royal Society Summer Exhibition zurück im Jahr 2015.

Die Arbeit der Schüler noch nicht veröffentlicht. MoEDAL veröffentlicht seine erste Reihe von null-Ergebnissen im letzten Jahr (Sie hat nichts gefunden, aber das experiment funktioniert). “Wir waren so nah, das Letzte Papier, das alle Ihre Namen auf,” sagte Parker. Sie hatte gerade einen Anruf, die Sie gemacht hatte in der Antwort auf eine dumme Frage, fragte ich. Ich habe noch nicht gründlich versteht, wie jeder von MoEDALs’ Teile zusammen gearbeitet, und fragte, ob die TimePix-Daten wurde tatsächlich relevant. Es machte Ihr förmlich aus dem café, in dem Sie, Evans und ich teilten Kaffee. “Sie können auf dem Papier, wenn Sie in der Regel dazu beigetragen”, sagte Sie, als Sie zurückkam. “Ein Papier über all diesen Klassifikationen und Analyse-Systeme, die Sie haben, können Sie auf.”

Ich rief Pinfold über die studentischen arbeiten. Es ist ein Ort, der Ihre Arbeit erscheinen konnte: “Es ist wahrscheinlich ein Papier auf unserer Anwendung von “citizen science ” zur Analyse”, sagte er. Es ist nicht auf das Monopol, insbesondere aber auf dem “citizen science” – Programm entwickelten die Studierenden versus machine learning als ein Mittel der Analyse von Daten. “Die Schüler, die daran gearbeitet wurden, erinnert”, sagte er. “Wir arbeiten daran aktiv mit.”

Aber die Studenten zwangsläufig Absolvent während die MoEDAL Zusammenarbeit wird weiterhin die Jagd der monopole mit einer neuen charge von Langton Studenten zu helfen. Es ist bitter für diejenigen, die umgezogen auf die Universität. “Es ist seltsam, dass die aufregendste Sache zu tun und das Gefühl, dass Sie immer einige Anerkennung in dem Feld, das Sie wollen, um zu gehen, dann an die Universität zu gehen,” sagte Evans. “Wenn wir an die Universität fühlt es sich wie ein Schritt nach unten, weil die Sachen, die Sie getan haben, ist so aufregend.” Aber viele von den letzten Absolventen haben in der Physik, und drei der vier Jungs, die ich Sprach, um geplante auf der Verfolgung der Physik, wenn Sie für Ihre A-level-Studien vor dem gehen zur Universität.

“Wenn wir an die Universität fühlt es sich wie ein Schritt nach unten, weil die Sachen, die Sie getan haben, ist so aufregend.”

Und zumindest die Schüler, die ich Sprach, haben entwickelt eine ganz neue Wertschätzung für die Wissenschaft und Physik. Es verändert Ihre ganze Perspektive auf die Teilchenphysiker sind.

“Ich dachte immer, Physiker alte Menschen getrennt von Technologie, dabei Theorie harte Mathematik”, sagte Patrick Abbott, einer der Langton boys. “Ich hätte nie gedacht, von Ihnen als Menschen in teams zu arbeiten—ich dachte, es war eine person allein zu arbeiten. Und ich sah nie die Physik als eine glückliche Erfahrung. Jetzt habe ich gemerkt, wie cool es ist.”

Auch nach der Papier kommt, ist es dennoch unwahrscheinlich, dass jemand feststellt, dass das Monopol. Dass nicht die phase der Langton boys. “Wir alle haben die Tatsache akzeptiert, dass wir nicht gehen, um es zu finden”, sagte Langton student Paul Holland. Sagte ein anderer student, Patrick Abbott: “Wenn wir nur etwas beitragen, auch dann werden wir glücklich sein.”

Die Berichterstattung dieses Artikels wurde teilweise unterstützt durch ein Stipendium der National Science Foundation.