Caitlin Gainey og noen av Yale-vennene hennes tilbrakte sommeren i Europa på fotturer i fjellene, spaserte gjennom middelalderlandsbyer – og søkte etter subatomære partikkelkollisjoner som få mennesker noen gang har sett.
Gainey, en senior fra Yale College som studerer astrofysikk, sammen med andre Yale-seniorer Dawson Thomas, Matthew Murphy og Alexandra Haslund-Gourley, utførte kritisk forskning ved et av verdens viktigste fysikkknutepunkter – Large Hadron Collider på CERN (den europeiske organisasjonen for kjernefysisk forskning), som ligger like utenfor Genève, Sveits. De var en del av et vitenskapsteam ledet av Sarah Demers, en fysikkprofessor ved Yales fakultet for kunst og vitenskap.
De Stor Hadron Collider — verdens største partikkelakselerator, plassert i en gigantisk underjordisk forbindelse — startet på nytt midt på sommeren etter fire år med oppgraderinger. Fysikere bruker anlegget til å teste teorier om fysikkens grunnleggende lover, fra sammensetningen av rom og tid til forholdet mellom kvantemekanikk og generell relativitet.
Yale-studentenes jobb var å analysere testkollisjoner av subatomære partikler, se etter spesifikke partikler som Z-bosoner og J/Psi-partikler, og lage visuelle visninger av kollisjonene. Arbeidet innebar en intensiv mengde fysikkkunnskap, datakoding og grafikkekspertise.
Besøket deres falt sammen med de 10th årsdagen for oppdagelsen av Higgs-bosonet, en fundamental partikkel i størrelsesorden et elektron eller kvark, et landemerkeøyeblikk feiret av CERN-forskere i juli. I løpet av samme måned kunngjorde CERN oppdagelsen av tre nye partikler – en pentaquark og to tetraquarks – ved hjelp av en kraftigere akseleratorstråle.
Eventvisninger laget av Yale-studentene, som illustrerte spesifikke partikkelkollisjoner, var en fremtredende del av kunngjøringen.
“Det var en spennende tid å være på CERN, og disse studentene var midt i det, sier Demers, en CERN-assistentforsker, samarbeidspartner med ATLAS eksperiment ved LHC, og en del av det internasjonale forskerteamet som oppdaget Higgs-bosonet (sammen med andre Yale-fysikere Keith Baker og Paul Tipton).
“Jeg er utrolig imponert over det de har fått til, sier hun.
Møt teamet
Fysikkfireren fra Yale College ankom Sveits i mai, med en rekke vitenskapelige ferdigheter og forskningsinteresser.
Haslund-Gourley, som kommer fra Santa Barbara, California, har vært lidenskapelig opptatt av fysikk siden barneskolen. Hun hadde tidligere gjennomført en fysikkpraksis ved Fermilab-anlegget i forstaden Chicago, og hun er vertskap for en vitenskapspodcast, «Extended Office Hours», på Spotify.
Thomas, som er fra Atlanta-forstedene, studerer fysikk og matematikk, med en spesiell interesse for å bruke geometriske og topologiske maskinlæringsmetoder for å utforske partikkelfysikk.
Gainey, som Haslund-Gourley, vokste opp i Santa Barbara. Hun hadde allerede jobbet ved tre vitenskapslaboratorier i løpet av sin tid ved Yale – to av dem var laboratorier fokusert på astronomiforskning og ett jobbet med partikkelfysikk. Hennes forskningsinteresse er å anvende datavitenskapelige teknikker på begge felt.
Murphy, et medlem av Yale-roteamet fra Portland, Oregon, hadde ingen tidligere laboratorieerfaring før han sendte en e-post til Demers, hans tidligere professor i PHYS 200, for å spørre om forskningsmuligheter i campuslaboratoriet hennes. Hun fortalte ham at hun kunne gjøre det – eller han kunne bare komme til Sveits.
“Dette var første gang jeg forsket,” sa Murphy. “Jeg visste ikke hva jeg kunne forvente.”
De ankom sin leide leilighet utenfor Genève under et drivende regnvær den tredje uken i mai. Gravene deres var bare en 10-minutters togtur til CERN.
Med Demers som styrende vei, kom de raskt i gang.
‘Dette magiske landet’
Yale-studentene entret CERN-scenen midt i en bølge av aktivitet. Large Hadron Collider, som først ble fyrt opp i 2008, startet sin tredje utvidede serie med partikkelkollisjoner med en serie testkollisjoner.
Oppgaven deres var todelt: plukke ut interessante kollisjons-“hendelser” fra de tidlige dataene som skulle indikere om detektoren fungerte som den skal, og utvikle visuelle visninger av disse hendelsene, som viser partikler og energiavsetninger fra akseleratoren.
De brukte uker på å lære om virkemåten til selve Large Hadron Collider, og deretter gjøre seg kjent med dataverktøy de ville bruke for å få tilgang til testdata og skrive kode for å identifisere kollisjonskandidater.
“Jeg husker jeg satt i leiligheten med Dawson en fredagskveld i midten av juni og skrev kode som ikke helt fungerte, sa Murphy. «Så, plutselig, begynte det å fungere perfekt. Det var fantastisk.”
“Jeg følte meg så heldig, sa Haslund-Gourley. “Jeg har vokst opp og alltid ønsket å jobbe på CERN, dette magiske landet hvor fysikere lærer om kreftene og partiklene som utgjør universet.”
Den 5. juli var elevene til stede for de første kollisjonene ved å bruke kolliderens “stabile stråle”, som nådde et verdensbrytende energinivå på 13,6 TeV (tera elektronvolt). De så på en direktesending av kollisjoner, hørte på musikk – og ventet på å kjøre koden.
“Når vi først startet, var det et kappløp med tiden, med noen av de beste fysikerne i verden som gjennomgikk alt vi gjorde, sa Gainey.
“Det var et spennende slags press, sa Thomas. “De trengte arrangementsvisningene så snart som mulig.”
En av deres første visualiseringer ble brukt nesten umiddelbart i en vitenskapelig forelesning for 2022 International Conference on High Energy Physics. Det var faktisk det første lysbildet i presentasjonen.
“Det var utrolig bekreftende, sa Haslund-Gourley.
En godt utført jobb
Etter alt å dømme var gruppens arbeid vellykket.
“Studentene våre identifiserte de eneste offentlig tilgjengelige kandidatene for arrangementsvisninger fra ATLAS, og de har blitt takket og fremhevet regelmessig i samarbeidsbaserte presentasjoner, sa Demers.
Bortsett fra de tildelte prosjektene, sa elevene at de likte å bli fordypet i et intenst, vitenskapelig miljø langt hjemmefra. Haslund-Gourley sa for eksempel at hun følte seg inspirert av den internasjonale karakteren til samarbeid ved CERN; Thomas var glad for at han fikk sjansen til å møte noen av fysikerne han idoliserte fra «Particle Fever», filmdokumentaren fra 2013 som inspirerte ham til å satse på fysikk i utgangspunktet.
I friminuttene vandret studentene i Jura-fjellene, turnerte rustikke landsbyer i Frankrike og utforsket severdighetene i Wien, Budapest, München og Bern. Det var også gode muligheter til å smake på lokal mat.
“Det ble konsumert mye brød, sa Gainey.
Når det gjelder fremtiden, sa Gainey at hun vil fortsette sitt CERN-arbeid mens hun er på Yale i år, noe som gjør det til grunnlaget for seniorprosjektet hennes. Thomas, i mellomtiden, tror han har funnet en “serendipitous” måte å bringe topologiske maskinlæringsmetoder til å påvirke partikkelfysikk.
Haslund-Gourley, på sin side, ble inspirert av datavitenskap og maskinlæringsteknikker som ble brukt til å behandle kollisjonsdata ved CERN og håper å kunne anvende lignende analyseteknikker på nevrologiske data.
Og Murphy? Etter en sommer på CERN sier han at han har fått forskningsfeilen, stort sett. “Jeg har aldri følt meg stresset,” sa han. “Vi bare hang sammen, gjorde jobben vår og fikk det til å fungere. Jeg vet at jeg vil fortsette å jobbe ved CERN for oppgaven min.»