Cum să ieși dintr-o fundătură în fizică?

Urmatoarea generatie de ciocnitori de particule va costa miliarde de dolari. Există planuri de a construi astfel de dispozitive în Europa și China, dar oamenii de știință se îndoiesc dacă acest lucru are sens. Poate că ar fi mai bine să căutăm un nou mod de experimentare și cercetare care să ducă la o descoperire în fizică? 

Modelul standard a fost confirmat de multe ori, inclusiv la Large Hadron Collider (LHC), dar nu se ridică la nivelul tuturor așteptărilor fizicii. Nu poate explica mistere precum existența materiei întunecate și a energiei întunecate sau de ce gravitația este atât de diferită de alte forțe fundamentale.

În știință, care se ocupă în mod tradițional de astfel de probleme, există o modalitate de a confirma sau infirma aceste ipoteze. colectarea de date suplimentare - în acest caz de la telescoape și microscoape mai bune și, poate, de la un complet nou, chiar mai mare super bara de protectie ceea ce va crea o șansă de a fi descoperit particule supersimetrice.

În 2012, Institutul de Fizică a Energiei Înalte al Academiei Chineze de Științe a anunțat un plan de construire a unui supercontor gigant. Planificat Ciocnizorul de electroni și pozitroni (CEPC) ar avea o circumferință de aproximativ 100 km, de aproape patru ori mai mare decât LHC (1). Ca răspuns, în 2013, operatorul LHC, adică CERN, și-a anunțat planul de a crea un nou dispozitiv de coliziune numit Future Circular Collider (FCC).

1. Comparația dimensiunilor acceleratoarelor planificate CEPC, FCC și LHC.

Cu toate acestea, oamenii de știință și inginerii se întreabă dacă aceste proiecte vor merita investiția uriașă. Chen-Ning Yang, un laureat al Premiului Nobel pentru fizica particulelor, a criticat căutarea de urme de supersimetrie folosind noua supersimetrie într-o postare pe blog în urmă cu trei ani, numind-o „joc de ghicire”. O presupunere foarte scumpă. El a avut ecou mulți oameni de știință din China, iar în Europa, luminate științifice au vorbit în același spirit despre proiectul FCC.

Sabine Hossenfelder, un fizician la Institutul pentru Studii Avansate din Frankfurt, a declarat pentru Gizmodo. –

Criticii proiectelor de construire a colisionarelor mai puternice notează că situația este diferită de când a fost construit. Pe atunci se știa că chiar căutăm bosonul Higgs. Acum obiectivele sunt mai puțin definite. Iar tăcerea rezultatelor experimentelor desfășurate de Large Hadron Collider, modernizate pentru descoperirea Higgs - când nu a mai apărut o singură descoperire revoluționară din 2012 - este oarecum de rău augur.

În plus, există un fapt binecunoscut, dar poate nu tuturor tot ceea ce știm despre rezultatele experimentelor LHC provine din analiza doar a aproximativ 0,003% din datele obținute atunci. Pur și simplu nu ne mai puteam descurca. Nu poate fi exclus ca răspunsurile la marile întrebări ale fizicii care ne bântuie să fie deja incluse în cei 99,997% pe care nu i-am luat în considerare. Deci, poate ceea ce aveți nevoie nu este atât să construiți o altă mașină mare și scumpă, cât mai degrabă să găsiți o modalitate de a analiza mult mai multe informații?

Merită luat în considerare, mai ales că fizicienii speră să scoată și mai mult din mașină. Perioada de nefuncționare de doi ani (așa-numita) care a început recent va menține colizionatorul inactiv până în 2021, permițând întreținerea (2). Apoi va începe să funcționeze la energii similare sau puțin mai mari înainte de a trece printr-o modernizare majoră în 2023, finalizarea fiind programată pentru 2026.

Această modernizare va costa un miliard de dolari (ieftin în comparație cu costul planificat al FKK), iar scopul ei este crearea așa-zisului. Luminozitate ridicată-LHC. Până în 2030, acest lucru ar putea crește de zece ori numărul de coliziuni pe secundă de o mașină.

2. Lucrări de reparații la LHC

era un neutrin

Una dintre particulele care nu a fost detectată la LHC, deși s-a sperat, este Extensie WIMP (- particulele masive care interacționează slab). Acestea sunt particule grele ipotetice (de la 10 GeV/s² la câțiva TeV/s², cu masa unui proton puțin mai mică de 1 GeV/s²), care interacționează cu materia vizibilă cu o forță comparabilă cu interacțiunea slabă. Ei ar explica masa misterioasă numită materie întunecată, care este de cinci ori mai comună în univers decât materia obișnuită.

LHC nu a detectat WIMP-uri în aceste 0,003% din datele experimentale. Cu toate acestea, există metode mai ieftine pentru aceasta - de ex. Experimentul XENON-nT (3), o cuvă uriașă de xenon lichid adânc în subteran în Italia și în proces de alimentare într-o rețea de cercetare. Într-o altă cuvă uriașă de xenon, LZ din Dakota de Sud, căutarea va începe în 2020.

Un alt experiment, constând din detectoare ultrasensibile cu semiconductori ultrareci, se numește SuperKDMS SNOLAB, va începe descărcarea datelor în Ontario la începutul anului 2020. Așa că șansele de a „captura” în sfârșit aceste particule misterioase în anii 20 sunt în creștere.

Wimps nu sunt singurii candidați pentru materie întunecată pe care oamenii de știință îi vânează. În schimb, experimentele pot produce particule alternative numite axioni, care nu pot fi observate direct ca neutrinii.

Este foarte probabil ca următorul deceniu să fie dominat de descoperiri legate de neutrini. Ele sunt printre cele mai comune particule din Univers. În același timp, unul dintre cele mai dificil de studiat, deoarece neutrinii interacționează foarte slab cu materia obișnuită.

Oamenii de știință știu de mult că această particulă este alcătuită din trei așa-numite arome separate și trei stări de masă separate - dar acestea nu corespund complet aromelor și fiecare aromă este o combinație a trei stări de masă datorită mecanicii cuantice. Cercetătorii speră să învețe valorile exacte ale acestor mase și ordinea în care apar atunci când se combină pentru a crea fiecare aromă. Experimente precum CATHERINE în Germania trebuie să colecteze datele necesare pentru a determina aceste valori în următorii ani.

3. Model de detector XENON-nT

Neutrinii au proprietăți ciudate. Când călătoresc, de exemplu, în spațiu, par să oscileze între gusturi. Experți din Observatorul subteran de neutrini Jiangmen în China, care se așteaptă să înceapă să colecteze date despre neutrini emiși de centralele nucleare din apropiere anul viitor.

Există un tip similar de proiect Super Kamiokande, observațiile în Japonia au fost efectuate de mult timp. Statele Unite au început să-și construiască propriile site-uri de testare pentru neutrini. LBNF în Illinois și experimentul cu neutrini la adâncime DUNĂ în Dakota de Sud.

Proiectul LBNF/DUNE, în valoare de 1,5 miliarde USD, finanțat din mai multe țări, este de așteptat să înceapă în 2024 și să fie complet operațional până în 2027. Alte experimente menite să dezvăluie secretele neutrinilor includ BULEVARD, la Laboratorul Național Oak Ridge din Tennessee și Program de neutrini de bază scurtă, în Fermilab, Illinois.

La rândul său, în proiect Legenda-200, Programat să se deschidă în 2021, va studia un fenomen cunoscut sub numele de descompunere dublă beta fără neutrini. Se presupune că doi neutroni din nucleul unui atom se descompun simultan în protoni, fiecare dintre care ejectează un electron și , intră în contact cu un alt neutrin și se anihilează.

Dacă ar exista o astfel de reacție, ar oferi dovezi că neutrinii sunt propria lor antimaterie, susținând indirect o altă teorie despre universul timpuriu - explicând de ce există mai multă materie decât antimaterie.

Fizicienii vor, de asemenea, să studieze în sfârșit misterioasa energie întunecată care pătrunde în spațiu și duce la expansiunea Universului. Spectroscopie de energie întunecată Instrumentul (DESI) tocmai a intrat în funcțiune anul trecut și este de așteptat să intre în funcțiune în 2020. Telescop mare de cercetare sinoptic în Chile, pilotat de Fundația Națională de Știință/Departamentul de Energie - un program de cercetare cu drepturi depline care utilizează acest echipament ar trebui să înceapă în 2022.

Pe de alta parte (4), care era destinat să devină evenimentul deceniului trecut, va deveni în cele din urmă eroul celui de-al XX-lea. Pe lângă căutările planificate, va contribui la studiul energiei întunecate prin observarea galaxiilor și a fenomenelor acestora.

4. Vizualizarea telescopului James Webb

Ce o să întrebăm

Este de bun simț că următorul deceniu în fizică nu va avea succes dacă peste zece ani ne punem aceleași întrebări fără răspuns. Va fi mult mai bine când vom obține răspunsurile pe care le dorim, dar și când vor apărea întrebări complet noi, pentru că nu ne putem baza pe o situație în care fizica spune: „Nu mai am întrebări”, niciodată.