Hvordan komme seg ut av blindveien i fysikk?
Neste generasjons partikkelkolliderer vil koste milliarder av dollar. Det er planer om å bygge slike enheter i Europa og Kina, men forskere stiller spørsmål ved om dette er fornuftig. Kanskje vi burde se etter en ny måte å eksperimentere og forske på som vil føre til et gjennombrudd i fysikken?
Standardmodellen har blitt bekreftet gjentatte ganger, inkludert ved Large Hadron Collider (LHC), men den oppfyller ikke alle fysikkens forventninger. Den kan ikke forklare mysterier som eksistensen av mørk materie og mørk energi, eller hvorfor tyngdekraften er så forskjellig fra andre grunnleggende krefter.
I vitenskap som tradisjonelt håndterer slike problemer, er det en måte å bekrefte eller avkrefte disse hypotesene. innsamling av tilleggsdata – i dette tilfellet fra bedre teleskoper og mikroskoper, og kanskje fra et helt nytt, enda større super støtfanger som vil skape en sjanse til å bli oppdaget supersymmetriske partikler.
I 2012 kunngjorde Institute of High Energy Physics ved det kinesiske vitenskapsakademiet en plan for å bygge en gigantisk superdisk. Planlagt Electron Positron Collider (CEPC) den ville ha en omkrets på omtrent 100 km, nesten fire ganger så stor som LHC (1). Som svar, i 2013, kunngjorde operatøren av LHC, det vil si CERN, sin plan for en ny kollisjonsenhet kalt Future Circular Collider (FCC).
1. Størrelsessammenligning av de planlagte CEPC-, FCC- og LHC-akseleratorene.
Imidlertid lurer forskere og ingeniører på om disse prosjektene vil være verdt den enorme investeringen. Chen-Ning Yang, en nobelprisvinner i partikkelfysikk, kritiserte søket etter spor av supersymmetri ved å bruke ny supersymmetri for tre år siden på bloggen sin, og kalte det en «gjettelek». En veldig dyr gjetning. Det ble gjentatt av mange forskere i Kina, og i Europa snakket vitenskapens lysmenn i samme ånd om FCC-prosjektet.
Dette ble rapportert til Gizmodo av Sabine Hossenfelder, en fysiker ved Institute for Advanced Study i Frankfurt. -
Kritikere av prosjekter for å skape kraftigere kollidere bemerker at situasjonen er annerledes enn da den ble bygget. Det var kjent på den tiden at vi til og med lette etter Bogs Higgs. Nå er målene mindre definerte. Og stillheten i resultatene av eksperimenter utført av Large Hadron Collider oppgradert for å imøtekomme Higgs-funnet - uten gjennombruddsfunn siden 2012 - er noe illevarslende.
I tillegg er det et velkjent, men kanskje ikke allmenngyldig faktum som alt vi vet om resultatene av eksperimenter ved LHC kommer fra analysen av bare rundt 0,003 % av dataene som ble oppnådd da. Vi orket bare ikke mer. Det kan ikke utelukkes at svarene på de store fysikkens spørsmål som hjemsøker oss allerede er på de 99,997 % som vi ikke har vurdert. Så kanskje du ikke trenger så mye for å bygge enda en stor og dyr maskin, men for å finne en måte å analysere mye mer informasjon på?
Det er verdt å vurdere, spesielt siden fysikere håper å presse enda mer ut av maskinen. En to-års nedetid (såkalt) som begynte nylig vil holde kollideren inaktiv til 2021, noe som gir mulighet for vedlikehold (2). Den vil da begynne å operere med lignende eller noe høyere energier, før den gjennomgår en større oppgradering i 2023, med ferdigstillelse planlagt til 2026.
Denne oppgraderingen vil koste én milliard dollar (billig sammenlignet med den planlagte kostnaden for FCC), og målet er å lage en såkalt. Høy lysstyrke-LHC. Innen 2030 kan dette tidoble antallet kollisjoner en bil produserer per sekund.
2. Reparasjonsarbeid på LHC
det var et nøytrino
En av partiklene som ikke ble oppdaget ved LHC, selv om det var forventet å være det, er PYSE (-svakt vekselvirkende massive partikler). Dette er hypotetiske tunge partikler (fra 10 GeV/s² til flere TeV/s², mens protonmassen er litt mindre enn 1 GeV/s²) som samhandler med synlig materie med en kraft som kan sammenlignes med den svake interaksjonen. De ville forklare en mystisk masse kalt mørk materie, som er fem ganger mer vanlig i universet enn vanlig materie.
Ved LHC ble det ikke funnet noen WIMPs i disse 0,003 % av de eksperimentelle dataene. Det finnes imidlertid billigere metoder for dette – f.eks. XENON-NT eksperiment (3), et stort kar med flytende xenon dypt under jorden i Italia og i ferd med å bli matet inn i forskningsnettverket. I et annet enormt kar med xenon, LZ i South Dakota, vil søket begynne allerede i 2020.
Et annet eksperiment, bestående av supersensitive ultrakalde halvlederdetektorer, kalles SuperKDMS SNOLAB, vil begynne å laste opp data til Ontario tidlig i 2020. Så sjansene for å endelig "skyte" disse mystiske partiklene på 20-tallet av det XNUMX. århundre øker.
Wimps er ikke de eneste mørk materie-kandidatene forskere er ute etter. I stedet kan eksperimenter produsere alternative partikler kalt aksioner som ikke kan observeres direkte som nøytrinoer.
Det er svært sannsynlig at det neste tiåret vil tilhøre funn relatert til nøytrinoer. De er blant de mest tallrike partiklene i universet. Samtidig en av de vanskeligste å studere, fordi nøytrinoer samhandler veldig svakt med vanlig materie.
Forskere har lenge visst at denne partikkelen består av tre separate såkalte smaker og tre separate massetilstander – men de samsvarer ikke akkurat med smaker, og hver smak er en kombinasjon av tre massetilstander på grunn av kvantemekanikk. Forskerne håper å finne ut den nøyaktige betydningen av disse massene og rekkefølgen de vises i når de kombineres for å skape hver duft. Eksperimenter som f.eks KATHERINE i Tyskland må de samle inn de nødvendige dataene for å bestemme disse verdiene i de kommende årene.
3. XENON-nT detektormodell
Nøytrinoer har merkelige egenskaper. På reise i verdensrommet, for eksempel, ser de ut til å svinge mellom smaker. Eksperter fra Jiangmen Underground Neutrino Observatory i Kina, som forventes å begynne å samle inn data om nøytrinoer som slippes ut fra nærliggende atomkraftverk neste år.
Det er et prosjekt av denne typen Super-Kamiokande, observasjoner i Japan har pågått i lang tid. USA har begynt å bygge sine egne teststeder for nøytrino. LBNF i Illinois og et eksperiment med nøytrinoer på dybden SANDDYNE i South Dakota.
Det flerlandsfinansierte LBNF/DUNE-prosjektet på 1,5 milliarder dollar forventes å starte i 2024 og være fullt operativt innen 2027. Andre eksperimenter designet for å låse opp hemmelighetene til nøytrinoen inkluderer ALLÉ, ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, og kort baseline nøytrinoprogram, i Fermilab, Illinois.
I sin tur i prosjektet Legend-200, Planlagt å åpne i 2021, vil et fenomen kjent som nøytrinoløst dobbel beta-forfall bli studert. Det antas at to nøytroner fra kjernen til et atom samtidig forfaller til protoner, som hver sender ut et elektron og , kommer i kontakt med en annen nøytrino og tilintetgjør.
Hvis en slik reaksjon eksisterte, ville det gi bevis for at nøytrinoer er deres egen antimaterie, indirekte bekreftet en annen teori om det tidlige universet - og forklare hvorfor det er mer materie enn antimaterie.
Fysikere vil også endelig se inn i den mystiske mørke energien som siver ut i verdensrommet og får universet til å utvide seg. Mørk energispektroskopi Verktøyet (DESI) begynte først å fungere i fjor og forventes å bli lansert i 2020. Stort synoptisk undersøkelsesteleskop i Chile, pilotert av National Science Foundation/Department of Energy, bør et fullverdig forskningsprogram som bruker dette utstyret starte i 2022.
С другой стороны (4), som var bestemt til å bli begivenheten i det utgående tiåret, vil til slutt bli helten til tjueårsjubileet. I tillegg til de planlagte søkene, vil den bidra til studiet av mørk energi ved å observere galakser og deres fenomener.
4. Visualisering av James Webb-teleskopet
Hva skal vi spørre om
I sunn fornuft vil det neste tiåret i fysikk ikke bli vellykket hvis vi om ti år stiller de samme ubesvarte spørsmålene. Det blir mye bedre når vi får de svarene vi ønsker, men også når helt nye spørsmål dukker opp, fordi vi ikke kan regne med en situasjon der fysikken vil si «jeg har ikke flere spørsmål» noen gang.
