Kako priti iz slepe ulice v fiziki?
Naslednja generacija trkalnika delcev bo stala milijarde dolarjev. Obstajajo načrti za izgradnjo takšnih naprav v Evropi in na Kitajskem, vendar se znanstveniki sprašujejo, ali je to smiselno. Morda bi morali poiskati nov način eksperimentiranja in raziskovanja, ki bo pripeljal do preboja v fiziki?
Standardni model je bil večkrat potrjen, tudi na velikem hadronskem trkalniku (LHC), vendar ne izpolnjuje vseh pričakovanj fizike. Ne more razložiti skrivnosti, kot sta obstoj temne snovi in temne energije, ali zakaj se gravitacija tako razlikuje od drugih temeljnih sil.
V znanosti, ki se tradicionalno ukvarja s takšnimi problemi, obstaja način, kako potrditi ali ovreči te hipoteze. zbiranje dodatnih podatkov - v tem primeru iz boljših teleskopov in mikroskopov, morda pa iz povsem novih, še večjih super odbijač kar bo ustvarilo priložnost, da vas odkrijejo supersimetrični delci.
Leta 2012 je Inštitut za fiziko visokih energij Kitajske akademije znanosti objavil načrt za izgradnjo velikanskega super števca. Načrtovano Trkalnik elektronskih pozitronov (CEPC) imel bi obseg približno 100 km, skoraj štirikrat več kot LHC (1). Kot odgovor je leta 2013 upravljavec LHC-ja, to je CERN, objavil načrt za novo protikolizijsko napravo, imenovano Prihodnji krožni trkalnik (FCC).
1. Primerjava velikosti načrtovanih pospeševalnikov CEPC, FCC in LHC.
Vendar se znanstveniki in inženirji sprašujejo, ali bodo ti projekti vredni velike naložbe. Chen-Ning Yang, dobitnik Nobelove nagrade za fiziko delcev, je pred tremi leti na svojem blogu kritiziral iskanje sledi supersimetrije z uporabo nove supersimetrije in ga označil za "igro ugibanja". Zelo drago ugibanje. Odmevajo ga številni znanstveniki na Kitajskem, v Evropi pa so svetniki znanosti govorili v istem duhu o projektu FCC.
To je za Gizmodo poročala Sabine Hossenfelder, fizičarka na Inštitutu za napredne študije v Frankfurtu. -
Kritiki projektov za ustvarjanje močnejših trkalnikov ugotavljajo, da je situacija drugačna kot takrat, ko je bila zgrajena. Takrat se je vedelo, da celo iščemo Bogs Higgs. Zdaj so cilji manj opredeljeni. In molk v rezultatih poskusov, ki jih je izvedel Veliki hadronski trkalnik, nadgrajen za prilagoditev odkritju Higgsa - brez prebojnih ugotovitev od leta 2012 - je nekoliko zlovešč.
Poleg tega obstaja dobro znano, a morda ne univerzalno dejstvo vse, kar vemo o rezultatih poskusov na LHC, izhaja iz analize le okoli 0,003 % takrat pridobljenih podatkov. Več preprosto nismo zmogli. Ni mogoče izključiti, da so odgovori na velika vprašanja fizike, ki nas preganjajo, že v 99,997 %, ki jih nismo upoštevali. Torej morda ne potrebujete toliko, da bi zgradili še en velik in drag stroj, ampak da bi našli način za analizo veliko več informacij?
O tem je vredno razmisliti, še posebej, ker fiziki upajo, da bodo iz avtomobila iztisnili še več. Dvoletni izpad (tako imenovani), ki se je začel pred kratkim, bo trkalnik ostal neaktiven do leta 2021, kar bo omogočilo vzdrževanje (2). Nato bo začel delovati pri podobnih ali nekoliko višjih energijah, preden bo leta 2023 doživel večjo nadgradnjo, dokončanje pa je predvideno za leto 2026.
Ta posodobitev bo stala milijardo dolarjev (poceni v primerjavi z načrtovanimi stroški FCC), njen cilj pa je ustvariti t.i. Visoka svetilnost-LHC. Do leta 2030 bi to lahko desetkrat povečalo število trkov, ki jih avtomobil povzroči na sekundo.
2. Popravila na LHC
bil je nevtrino
Eden od delcev, ki ga na LHC-ju niso zaznali, čeprav se je pričakovalo, je Reva (-šibko medsebojno delujoči masivni delci). To so hipotetični težki delci (od 10 GeV / s² do nekaj TeV / s², medtem ko je masa protonov nekoliko manjša od 1 GeV / s²), ki delujejo z vidno snovjo s silo, primerljivo s šibko interakcijo. Pojasnili bi skrivnostno maso, imenovano temna snov, ki je v vesolju petkrat pogostejša od navadne snovi.
V LHC v teh 0,003 % eksperimentalnih podatkov niso našli nobenih WIMP. Vendar za to obstajajo cenejše metode – npr. Eksperiment XENON-NT (3), ogromna kad s tekočim ksenonom globoko pod zemljo v Italiji in je v procesu dovajanja v raziskovalno mrežo. V drugi ogromni kadi s ksenonom, LZ v Južni Dakoti, se bo iskanje začelo že leta 2020.
Drug eksperiment, sestavljen iz superobčutljivih ultrahladnih polprevodniških detektorjev, se imenuje SuperKDMS SNOLAB, bo začel nalagati podatke v Ontario v začetku leta 2020. Tako se povečujejo možnosti, da bi te skrivnostne delce končno "ustrelili" v 20. letih XNUMX stoletja.
Sladki niso edini kandidati za temno snov, ki jih iščejo znanstveniki. Namesto tega lahko poskusi proizvedejo alternativne delce, imenovane aksione, ki jih ni mogoče neposredno opazovati kot nevtrini.
Zelo verjetno je, da bo naslednje desetletje pripadalo odkritjem, povezanim z nevtrini. So med najpogostejšimi delci v vesolju. Hkrati je eden najtežjih za preučevanje, saj nevtrini zelo šibko delujejo z običajno snovjo.
Znanstveniki že dolgo vedo, da je ta delec sestavljen iz treh ločenih tako imenovanih arom in treh ločenih masnih stanj – vendar se okusi ne ujemajo povsem in vsak okus je zaradi kvantne mehanike kombinacija treh masnih stanj. Raziskovalci upajo, da bodo odkrili točen pomen teh mas in vrstni red, v katerem se pojavljajo, ko se združijo, da ustvarijo vsako dišavo. Poskusi, kot je npr KATARINA v Nemčiji morajo zbrati podatke, potrebne za določitev teh vrednosti v prihodnjih letih.
3. Model detektorja XENON-nT
Nevtrini imajo čudne lastnosti. Na primer, ko potujejo v vesolju, se zdi, da nihajo med okusi. Strokovnjaki iz Podzemni nevtrinski observatorij Jiangmen na Kitajskem, ki naj bi prihodnje leto začela zbirati podatke o nevtrinih, ki jih oddajajo bližnji jedrske elektrarne.
Obstaja projekt te vrste Super-Kamiokande, opazovanja na Japonskem potekajo že dolgo. ZDA so začele graditi svoja lastna testna mesta za nevtrino. LBNF v Illinoisu in poskus z nevtrini v globini SIPINA v Južni Dakoti.
Projekt LBNF/DUNE v vrednosti 1,5 milijarde dolarjev, ki ga financira več držav, naj bi se začel leta 2024 in bo v celoti operativen do leta 2027. Drugi poskusi, namenjeni odkrivanju skrivnosti nevtrina, vključujejo AVENUE, v nacionalnem laboratoriju Oak Ridge v Tennesseeju in kratek osnovni nevtrinski program, v Fermilabu, Illinois.
Po drugi strani pa v projektu Legenda-200, Odprtje naj bi bilo načrtovano leta 2021, bo preučeval pojav, znan kot dvojni beta razpad brez nevtrinov. Domneva se, da dva nevtrona iz jedra atoma hkrati razpadeta na protone, od katerih vsak izvrže elektron in , pride v stik z drugim nevtrinom in uniči.
Če bi takšna reakcija obstajala, bi to zagotovilo dokaze, da so nevtrini lastna antimaterija, kar posredno potrjuje drugo teorijo o zgodnjem vesolju – razlaga, zakaj je materije več kot antimaterije.
Fiziki želijo tudi končno pogledati v skrivnostno temno energijo, ki pronica v vesolje in povzroči, da se vesolje širi. Spektroskopija temne energije Orodje (DESI) je začelo delovati šele lani in bo predvidoma uvedeno leta 2020. Veliki sinoptični teleskop v Čilu, ki ga je pilotirala Nacionalna znanstvena fundacija/oddelek za energijo, naj bi se polnopravni raziskovalni program s to opremo začel leta 2022.
С другой стороны (4), ki je bil usojen, da postane dogodek odhajajočega desetletja, bo sčasoma postal junak dvajsete obletnice. Poleg načrtovanih iskanj bo prispeval k preučevanju temne energije z opazovanjem galaksij in njihovih pojavov.
4. Vizualizacija teleskopa James Webb
Kaj bomo vprašali
Po zdravi pameti naslednje desetletje v fiziki ne bo uspešno, če čez deset let postavljamo ista neodgovorjena vprašanja. Veliko bolje bo, ko bomo dobili odgovore, ki jih želimo, pa tudi, ko se bodo pojavila povsem nova vprašanja, saj ne moremo računati na situacijo, v kateri bo fizika rekla: »Nimam več vprašanj«, nikoli.
