Πώς να βγείτε από το αδιέξοδο στη φυσική;

Ο επιταχυντής σωματιδίων επόμενης γενιάς θα κοστίσει δισεκατομμύρια δολάρια. Υπάρχουν σχέδια για την κατασκευή τέτοιων συσκευών στην Ευρώπη και την Κίνα, αλλά οι επιστήμονες αμφισβητούν αν αυτό έχει νόημα. Μήπως θα έπρεπε να αναζητήσουμε έναν νέο τρόπο πειραματισμού και έρευνας που θα οδηγήσει σε μια σημαντική ανακάλυψη στη φυσική; 

Το Καθιερωμένο Μοντέλο έχει επιβεβαιωθεί επανειλημμένα, συμπεριλαμβανομένου του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), αλλά δεν ανταποκρίνεται σε όλες τις προσδοκίες της φυσικής. Δεν μπορεί να εξηγήσει μυστήρια όπως η ύπαρξη της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας ή γιατί η βαρύτητα είναι τόσο διαφορετική από άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις.

Στην επιστήμη που παραδοσιακά ασχολείται με τέτοια προβλήματα, υπάρχει τρόπος να επιβεβαιωθούν ή να διαψευστούν αυτές οι υποθέσεις. συλλογή πρόσθετων δεδομένων - σε αυτήν την περίπτωση, από καλύτερα τηλεσκόπια και μικροσκόπια, και ίσως από ένα εντελώς νέο, ακόμη μεγαλύτερο σούπερ προφυλακτήρας που θα δημιουργήσει μια ευκαιρία για ανακάλυψη υπερσυμμετρικά σωματίδια.

Το 2012, το Ινστιτούτο Φυσικής Υψηλής Ενέργειας της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών ανακοίνωσε ένα σχέδιο για την κατασκευή ενός γιγαντιαίου σούπερ μετρητή. Σχεδιασμένος Επιταχυντής ηλεκτρονίων ποζιτρονίων (CEPC) θα είχε περιφέρεια περίπου 100 km, σχεδόν τετραπλάσια από αυτή του LHC (1). Σε απάντηση, το 2013, ο χειριστής του LHC, δηλαδή το CERN, ανακοίνωσε το σχέδιό του για μια νέα συσκευή σύγκρουσης που ονομάζεται Future Circular Collider (FCC).

1. Σύγκριση μεγέθους των προγραμματισμένων επιταχυντών CEPC, FCC και LHC.

Ωστόσο, επιστήμονες και μηχανικοί αναρωτιούνται αν αυτά τα έργα θα αξίζουν την τεράστια επένδυση. Ο Chen-Ning Yang, νικητής του βραβείου Νόμπελ στη φυσική των σωματιδίων, επέκρινε την αναζήτηση ιχνών υπερσυμμετρίας χρησιμοποιώντας νέα υπερσυμμετρία πριν από τρία χρόνια στο blog του, αποκαλώντας το «παιχνίδι εικασίας». Μια πολύ ακριβή εικασία. Τον απηχούσαν πολλοί επιστήμονες στην Κίνα, και στην Ευρώπη, οι διαφωτιστές της επιστήμης μίλησαν με το ίδιο πνεύμα για το έργο FCC.

Αυτό ανέφερε στο Gizmodo η Sabine Hossenfelder, φυσικός στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στη Φρανκφούρτη. -

Οι επικριτές των έργων για τη δημιουργία ισχυρότερων επιταχυντών σημειώνουν ότι η κατάσταση είναι διαφορετική από όταν κατασκευάστηκε. Ήταν γνωστό τότε ότι ψάχναμε κιόλας Το μποζόνιο Χιγκς. Τώρα οι στόχοι είναι λιγότερο καθορισμένοι. Και η σιωπή στα αποτελέσματα των πειραμάτων που διεξήχθη από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων που αναβαθμίστηκε για να φιλοξενήσει την ανακάλυψη Higgs - χωρίς καινοτόμα ευρήματα από το 2012 - είναι κάπως δυσοίωνη.

Επιπλέον, υπάρχει ένα γνωστό, αλλά ίσως όχι καθολικό, γεγονός ότι όλα όσα γνωρίζουμε για τα αποτελέσματα των πειραμάτων στο LHC προέρχονται από την ανάλυση μόνο περίπου του 0,003% των δεδομένων που ελήφθησαν τότε. Απλώς δεν μπορούσαμε να αντέξουμε περισσότερα. Δεν μπορεί να αποκλειστεί ότι οι απαντήσεις στα μεγάλα ερωτήματα της φυσικής που μας στοιχειώνουν βρίσκονται ήδη στο 99,997% που δεν έχουμε σκεφτεί. Άρα, ίσως δεν χρειάζεστε τόσα πολλά για να φτιάξετε ένα άλλο μεγάλο και ακριβό μηχάνημα, αλλά για να βρείτε έναν τρόπο να αναλύσετε πολύ περισσότερες πληροφορίες;

Αξίζει να το σκεφτούμε, ειδικά αφού οι φυσικοί ελπίζουν να αποσπάσουν ακόμα περισσότερα από το αυτοκίνητο. Ένα διετές χρόνο διακοπής λειτουργίας (το λεγόμενο) που ξεκίνησε πρόσφατα θα διατηρήσει τον επιταχυντή ανενεργό μέχρι το 2021, επιτρέποντας τη συντήρηση (2). Στη συνέχεια θα αρχίσει να λειτουργεί με παρόμοιες ή κάπως υψηλότερες ενέργειες, πριν υποβληθεί σε σημαντική αναβάθμιση το 2023, με την ολοκλήρωσή του να έχει προγραμματιστεί για το 2026.

Αυτή η αναβάθμιση θα κοστίσει ένα δισεκατομμύριο δολάρια (φθηνό σε σύγκριση με το προγραμματισμένο κόστος της FCC), και στόχος της είναι να δημιουργήσει ένα λεγόμενο. Υψηλή φωτεινότητα-LHC. Μέχρι το 2030, αυτό θα μπορούσε να δεκαπλασιάσει τον αριθμό των συγκρούσεων που παράγει ένα αυτοκίνητο ανά δευτερόλεπτο.

2. Εργασίες επισκευής στον LHC

ήταν ένα νετρίνο

Ένα από τα σωματίδια που δεν ανιχνεύθηκε στον LHC, αν και αναμενόταν να είναι, είναι WIMP (-ασθενώς αλληλεπιδρώντα μαζικά σωματίδια). Αυτά είναι υποθετικά βαριά σωματίδια (από 10 GeV / s² έως αρκετά TeV / s², ενώ η μάζα πρωτονίων είναι ελαφρώς μικρότερη από 1 GeV / s²) που αλληλεπιδρούν με την ορατή ύλη με δύναμη συγκρίσιμη με την ασθενή αλληλεπίδραση. Θα εξηγούσαν μια μυστηριώδη μάζα που ονομάζεται σκοτεινή ύλη, η οποία είναι πέντε φορές πιο κοινή στο σύμπαν από τη συνηθισμένη ύλη.

Στο LHC, δεν βρέθηκαν WIMP σε αυτό το 0,003% των πειραματικών δεδομένων. Ωστόσο, υπάρχουν φθηνότερες μέθοδοι για αυτό - για παράδειγμα. Πείραμα XENON-NT (3), μια τεράστια δεξαμενή υγρού xenon βαθιά υπόγεια στην Ιταλία και βρίσκεται σε διαδικασία τροφοδοσίας στο ερευνητικό δίκτυο. Σε μια άλλη τεράστια δεξαμενή xenon, την LZ στη Νότια Ντακότα, η αναζήτηση θα ξεκινήσει ήδη από το 2020.

Ένα άλλο πείραμα, που αποτελείται από υπερευαίσθητους υπερψυχρούς ανιχνευτές ημιαγωγών, ονομάζεται SuperKDMS SNOLAB, θα ξεκινήσει τη μεταφόρτωση δεδομένων στο Οντάριο στις αρχές του 2020. Έτσι, οι πιθανότητες να "πυροβοληθούν" τελικά αυτά τα μυστηριώδη σωματίδια στη δεκαετία του '20 του XNUMXου αιώνα αυξάνονται.

Οι Wimps δεν είναι οι μόνοι υποψήφιοι για τη σκοτεινή ύλη που αναζητούν οι επιστήμονες. Αντίθετα, τα πειράματα μπορούν να παράγουν εναλλακτικά σωματίδια που ονομάζονται αξιόνια, τα οποία δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα όπως τα νετρίνα.

Είναι πολύ πιθανό η επόμενη δεκαετία να ανήκει σε ανακαλύψεις που σχετίζονται με τα νετρίνα. Είναι από τα πιο κοινά σωματίδια στο σύμπαν. Ταυτόχρονα, ένα από τα πιο δύσκολα στη μελέτη, επειδή τα νετρίνα αλληλεπιδρούν πολύ αδύναμα με τη συνηθισμένη ύλη.

Οι επιστήμονες γνώριζαν από καιρό ότι αυτό το σωματίδιο αποτελείται από τρεις ξεχωριστές λεγόμενες γεύσεις και τρεις ξεχωριστές καταστάσεις μάζας - αλλά δεν ταιριάζουν ακριβώς με τις γεύσεις και κάθε γεύση είναι ένας συνδυασμός τριών καταστάσεων μάζας λόγω της κβαντικής μηχανικής. Οι ερευνητές ελπίζουν να μάθουν την ακριβή σημασία αυτών των μαζών και τη σειρά με την οποία εμφανίζονται όταν συνδυάζονται για να δημιουργήσουν κάθε άρωμα. Πειράματα όπως ΑΙΚΑΤΕΡΙΝΗ στη Γερμανία, πρέπει να συλλέξουν τα δεδομένα που είναι απαραίτητα για τον προσδιορισμό αυτών των τιμών τα επόμενα χρόνια.

3. Μοντέλο ανιχνευτή XENON-nT

Τα νετρίνα έχουν περίεργες ιδιότητες. Ταξιδεύοντας στο διάστημα, για παράδειγμα, φαίνεται να ταλαντεύονται μεταξύ των γεύσεων. Οι ειδικοί από Υπόγειο Παρατηρητήριο Νετρίνων Jiangmen στην Κίνα, η οποία αναμένεται να ξεκινήσει τη συλλογή δεδομένων για τα νετρίνα που εκπέμπονται από κοντινούς πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής το επόμενο έτος.

Υπάρχει ένα έργο αυτού του τύπου Σούπερ Καμιοκάντε, οι παρατηρήσεις στην Ιαπωνία συνεχίζονται εδώ και πολύ καιρό. Οι ΗΠΑ έχουν αρχίσει να κατασκευάζουν τις δικές τους εγκαταστάσεις δοκιμών νετρίνων. LBNF στο Ιλινόις και ένα πείραμα με νετρίνα σε βάθος ΑΜΜΟΛΟΦΟΣ στη Νότια Ντακότα.

Το έργο LBNF/DUNE με χρηματοδότηση πολλών χωρών 1,5 δισεκατομμυρίων δολαρίων αναμένεται να ξεκινήσει το 2024 και να είναι πλήρως λειτουργικό έως το 2027. Άλλα πειράματα που έχουν σχεδιαστεί για να ξεκλειδώσουν τα μυστικά του νετρίνου περιλαμβάνουν ΛΕΩΦΟΡΟΣ, στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge στο Τενεσί και σύντομο βασικό πρόγραμμα νετρίνων, στο Fermilab του Ιλινόις.

Με τη σειρά του, στο έργο Legend-200, Προγραμματισμένο να ανοίξει το 2021, θα μελετηθεί ένα φαινόμενο γνωστό ως διπλή βήτα διάσπαση χωρίς νετρίνη. Υποτίθεται ότι δύο νετρόνια από τον πυρήνα ενός ατόμου διασπώνται ταυτόχρονα σε πρωτόνια, καθένα από τα οποία εκτοξεύει ένα ηλεκτρόνιο και , έρχεται σε επαφή με άλλο νετρίνο και εκμηδενίζεται.

Εάν υπήρχε μια τέτοια αντίδραση, θα παρείχε στοιχεία ότι τα νετρίνα είναι η δική τους αντιύλη, επιβεβαιώνοντας έμμεσα μια άλλη θεωρία για το πρώιμο σύμπαν - εξηγώντας γιατί υπάρχει περισσότερη ύλη από αντιύλη.

Οι φυσικοί θέλουν επίσης να μελετήσουν επιτέλους τη μυστηριώδη σκοτεινή ενέργεια που διαπερνά το διάστημα και οδηγεί στη διαστολή του σύμπαντος. Φασματοσκοπία σκοτεινής ενέργειας Το εργαλείο (DESI) ξεκίνησε να λειτουργεί μόλις πέρυσι και αναμένεται να κυκλοφορήσει το 2020. Μεγάλο Συνοπτικό Τηλεσκόπιο στη Χιλή, πιλοτικά από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών/Τμήμα Ενέργειας, ένα πλήρες ερευνητικό πρόγραμμα που χρησιμοποιεί αυτόν τον εξοπλισμό θα ξεκινήσει το 2022.

С другой стороны (4), που έμελλε να γίνει το γεγονός της απερχόμενης δεκαετίας, θα γίνει τελικά ο ήρωας της εικοστής επετείου. Εκτός από τις προγραμματισμένες αναζητήσεις, θα συμβάλει στη μελέτη της σκοτεινής ενέργειας με την παρατήρηση των γαλαξιών και των φαινομένων τους.

4. Οπτικοποίηση του τηλεσκοπίου James Webb

Τι θα ρωτήσουμε

Κατά την κοινή λογική, η επόμενη δεκαετία στη φυσική δεν θα είναι επιτυχής αν σε δέκα χρόνια από τώρα θέτουμε τα ίδια αναπάντητα ερωτήματα. Θα είναι πολύ καλύτερα όταν λάβουμε τις απαντήσεις που θέλουμε, αλλά και όταν προκύψουν εντελώς νέα ερωτήματα, γιατί δεν μπορούμε να βασιστούμε σε μια κατάσταση στην οποία η φυσική θα πει «δεν έχω άλλες ερωτήσεις», ποτέ.