Kuinka päästä ulos fysiikan umpikujasta?

Seuraavan sukupolven hiukkastörmäyskone maksaa miljardeja dollareita. Tällaisia ​​laitteita suunnitellaan rakentamaan Euroopassa ja Kiinassa, mutta tutkijat kyseenalaistavat, onko tässä järkeä. Ehkä meidän pitäisi etsiä uutta tapaa kokeilla ja tutkia, mikä johtaa läpimurtoon fysiikassa? 

Vakiomalli on toistuvasti vahvistettu, myös Large Hadron Colliderissa (LHC), mutta se ei täytä kaikkia fysiikan odotuksia. Se ei voi selittää mysteereitä, kuten pimeän aineen ja pimeän energian olemassaoloa tai sitä, miksi painovoima on niin erilainen kuin muut perusvoimat.

Tieteessä, joka perinteisesti käsittelee tällaisia ​​ongelmia, on olemassa tapa vahvistaa tai kumota nämä hypoteesit. lisätietojen kerääminen - tässä tapauksessa paremmista kaukoputkesta ja mikroskoopista, ja ehkä täysin uudesta, vielä suuremmasta super puskuri joka luo mahdollisuuden tulla löydetyksi supersymmetrisiä hiukkasia.

Vuonna 2012 Kiinan tiedeakatemian korkean energian fysiikan instituutti ilmoitti suunnitelmastaan ​​rakentaa jättimäinen superlaskuri. Suunniteltu Elektronin positronitörmäitin ​​(CEPC) sen ympärysmitta olisi noin 100 km, melkein neljä kertaa suurempi kuin LHC (1). Vastauksena vuonna 2013 LHC:n operaattori eli CERN ilmoitti suunnitelmastaan ​​uudesta törmäyslaitteesta nimeltä Future Circular Collider (FCC).

1. Suunniteltujen CEPC-, FCC- ja LHC-kiihdytinten kokovertailu.

Tiedemiehet ja insinöörit kuitenkin ihmettelevät, ovatko nämä hankkeet valtavan investoinnin arvoisia. Chen-Ning Yang, hiukkasfysiikan Nobel-palkinnon voittaja, kritisoi kolme vuotta sitten blogissaan supersymmetrian jälkien etsimistä uuden supersymmetrian avulla ja kutsui sitä "arvauspeliksi". Todella kallis arvaus. Sitä toistivat monet tutkijat Kiinassa, ja Euroopassa tieteen huippumiehet puhuivat samassa hengessä FCC-projektista.

Tämän kertoi Gizmodolle Sabina Hossenfelder, fyysikko Institute for Advanced Studysta Frankfurtissa. -

Tehokkaampien törmäyslaitteiden luomiseen tähtäävien hankkeiden kriitikot huomauttavat, että tilanne on erilainen kuin sen rakentamisen aikana. Silloin tiedettiin, että me edes etsimme Bogs Higgs. Nyt tavoitteet ovat vähemmän määriteltyjä. Ja Higgsin löydön mukaiseksi päivitetyn Large Hadron Colliderin suorittamien kokeiden tulosten hiljaisuus – ilman läpimurtoa vuoden 2012 jälkeen – on jokseenkin pahaenteistä.

Lisäksi on olemassa hyvin tunnettu, mutta ei ehkä yleismaailmallinen tosiasia kaikki, mitä tiedämme LHC:n kokeiden tuloksista, tulee analysoimalla vain noin 0,003 % silloin saaduista tiedoista. Emme vain jaksaneet enempää. Ei voida sulkea pois sitä, että vastaukset meitä kummitteleviin fysiikan suuriin kysymyksiin ovat jo siinä 99,997 %:ssa, jota emme ole harkinneet. Joten ehkä sinun ei tarvitse niinkään rakentaa uutta suurta ja kallista konetta, vaan löytää tapa analysoida paljon enemmän tietoa?

Sitä kannattaa harkita, varsinkin kun fyysikot toivovat saavansa koneesta vielä enemmän irti. Äskettäin alkanut kahden vuoden seisokki (ns.) pitää törmäimen toimimattomana vuoteen 2021 asti, mikä mahdollistaa huollon (2). Sen jälkeen se alkaa toimia vastaavilla tai hieman korkeammilla energioilla, ennen kuin siihen tehdään merkittävä päivitys vuonna 2023, ja se valmistuu vuonna 2026.

Tämä modernisointi maksaa miljardi dollaria (halpa verrattuna FCC:n suunniteltuihin kustannuksiin), ja sen tavoitteena on luoda ns. High Luminosity-LHC. Vuoteen 2030 mennessä tämä voi kymmenkertaistaa auton sekunnissa tekemien törmäysten määrän.

2. LHC:n korjaustyöt

se oli neutriino

Yksi hiukkasista, jota ei havaittu LHC:ssä, vaikka sen odotettiin olevan, on NYNNY (-heikosti vuorovaikutuksessa massiivisia hiukkasia). Nämä ovat hypoteettisia raskaita hiukkasia (10 GeV / s² useisiin TeV / s², kun taas protonimassa on hieman alle 1 GeV / s²), jotka ovat vuorovaikutuksessa näkyvän aineen kanssa heikkoon vuorovaikutukseen verrattavalla voimalla. He selittäisivät salaperäisen massan nimeltä pimeä aine, joka on viisi kertaa yleisempi universumissa kuin tavallinen aine.

LHC:ssä ei löytynyt WIMP:itä näissä 0,003 %:ssa koetuloksista. Tähän on kuitenkin olemassa halvempia menetelmiä - esim. XENON-NT kokeilu (3), valtava altaaseen nestemäistä ksenonia syvällä maan alla Italiassa ja sitä ollaan syöttämässä tutkimusverkostoon. Toisessa valtavassa xenon-altaassa, LZ:ssä Etelä-Dakotassa, etsinnät alkavat jo vuonna 2020.

Toinen koe, joka koostuu superherkistä ultrakylmistä puolijohdeilmaisimista, on nimeltään SuperKDMS SNOLAB, aloittaa tietojen lataamisen Ontarioon vuoden 2020 alussa. Joten mahdollisuudet vihdoin "ammua" nämä salaperäiset hiukkaset 20-luvun XNUMX-luvulla kasvavat.

Wimps eivät ole ainoita pimeän aineen ehdokkaita, joita tutkijat tavoittelevat. Sen sijaan kokeet voivat tuottaa vaihtoehtoisia hiukkasia, joita kutsutaan aksioneiksi, joita ei voida suoraan havaita, kuten neutriinoja.

On hyvin todennäköistä, että seuraava vuosikymmen kuuluu neutriinoihin liittyville löydöille. Ne ovat maailmankaikkeuden yleisimpiä hiukkasia. Samaan aikaan yksi vaikeimmista tutkittavista, koska neutriinot ovat erittäin heikosti vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa.

Tiedemiehet ovat pitkään tienneet, että tämä hiukkanen koostuu kolmesta erillisestä niin sanotusta mausta ja kolmesta erillisestä massatilasta - mutta ne eivät täsmää vastaa makuja, ja jokainen maku on kolmen massatilan yhdistelmä kvanttimekaniikan vuoksi. Tutkijat toivovat saavansa selville näiden massojen tarkat merkitykset ja järjestyksen, jossa ne esiintyvät, kun ne yhdistetään kunkin tuoksun luomiseksi. Kokeiluja mm KATERIINA Saksassa niiden on kerättävä tarvittavat tiedot näiden arvojen määrittämiseksi tulevina vuosina.

3. XENON-nT ilmaisinmalli

Neutriinoilla on outoja ominaisuuksia. Esimerkiksi avaruudessa matkustaessaan ne näyttävät värähtelevän makujen välillä. Asiantuntijat osoitteesta Jiangmenin maanalainen neutriinoobservatorio Kiinassa, jonka odotetaan alkavan ensi vuonna kerätä tietoja läheisten ydinvoimaloiden neutriinoista.

Tämän tyyppinen projekti on olemassa Super-Kamiokande, Havainnot Japanissa ovat jatkuneet pitkään. Yhdysvallat on alkanut rakentaa omia neutriinotestialueitaan. LBNF Illinoisissa ja koe neutriinoilla syvällä DYYNI Etelä-Dakotassa.

1,5 miljardin dollarin usean maan rahoittaman LBNF/DUNE-projektin odotetaan alkavan vuonna 2024 ja olevan täysin toimintakunnossa vuoteen 2027 mennessä. Muita kokeita, joiden tarkoituksena on avata neutrinon salaisuudet, ovat mm AVENUE, Oak Ridge National Laboratoryssa Tennesseessä ja lyhyt perusneutrino-ohjelma, Fermilabissa, Illinoisissa.

Projektissa puolestaan Legend-200, Vuonna 2021 avautuvaa ilmiötä, joka tunnetaan nimellä neutrinoless double beeta-hajoaminen, tutkitaan. Oletetaan, että atomin ytimestä kaksi neutronia hajoaa samanaikaisesti protoneiksi, joista kumpikin heittää ulos elektronin ja , joutuu kosketukseen toisen neutriinon kanssa ja tuhoutuu.

Jos tällainen reaktio olisi olemassa, se antaisi todisteita siitä, että neutriinot ovat omia antimateriaa, mikä epäsuorasti vahvistaisi toisen teorian varhaisesta universumista - selittäen, miksi ainetta on enemmän kuin antimateriaa.

Fyysikot haluavat myös vihdoin tarkastella salaperäistä pimeää energiaa, joka tunkeutuu avaruuteen ja saa maailmankaikkeuden laajenemaan. Pimeän energian spektroskopia Työkalu (DESI) aloitti toimintansa vasta viime vuonna, ja sen odotetaan tulevan markkinoille vuonna 2020. Suuri synoptinen tutkimusteleskooppi Chilessä National Science Foundationin/Department of Energyn pilotoima täysimittainen tätä laitteistoa käyttävä tutkimusohjelma alkaa vuonna 2022.

Toisella puolella (4), josta oli tarkoitus tulla kuluvan vuosikymmenen tapahtuma, tulee lopulta XNUMX-vuotisjuhlan sankari. Suunniteltujen etsintöjen lisäksi se osallistuu pimeän energian tutkimukseen tarkkailemalla galakseja ja niiden ilmiöitä.

4. James Webb -teleskoopin visualisointi

Mitä aiomme kysyä

Terveen järjen mukaan seuraava vuosikymmen fysiikassa ei ole onnistunut, jos kymmenen vuoden kuluttua kysymme samoja vastaamattomia kysymyksiä. On paljon parempi, kun saamme haluamamme vastaukset, mutta myös silloin, kun ilmaantuu täysin uusia kysymyksiä, koska emme voi luottaa tilanteeseen, jossa fysiikka sanoo: "Minulla ei ole enää kysymyksiä".