Kuidas füüsikas ummikseisust välja tulla?
Järgmise põlvkonna osakeste põrkur läheb maksma miljardeid dollareid. Selliseid seadmeid kavatsetakse ehitada Euroopas ja Hiinas, kuid teadlased kahtlevad, kas see on mõttekas. Võib-olla peaksime otsima uut viisi katsetamiseks ja uurimiseks, mis viiks läbimurdeni füüsikas?
Standardmudelit on korduvalt kinnitatud, sealhulgas suures hadronite põrgatis (LHC), kuid see ei vasta kõigile füüsika ootustele. See ei suuda seletada selliseid saladusi nagu tumeaine ja tumeenergia olemasolu või miks gravitatsioon erineb teistest põhijõududest nii palju.
Traditsiooniliselt selliste probleemidega tegelevas teaduses on võimalus neid hüpoteese kinnitada või ümber lükata. täiendavate andmete kogumine - antud juhul parematest teleskoopidest ja mikroskoopidest ning võib-olla ka täiesti uuest, veelgi suuremast super kaitseraud mis loob võimaluse olla avastatud supersümmeetrilised osakesed.
2012. aastal teatas Hiina Teaduste Akadeemia Kõrgenergia Füüsika Instituut plaanist ehitada hiiglaslik superloendur. Planeeritud Elektronpositronipõrgeti (CEPC) selle ümbermõõt oleks umbes 100 km, mis on peaaegu neli korda suurem kui LHC (1). Vastuseks teatas LHC operaator ehk CERN 2013. aastal oma plaanist luua uus kokkupõrkeseade nimega Future Circular Collider (FCC).
1. Kavandatavate CEPC, FCC ja LHC kiirendite suuruste võrdlus.
Teadlased ja insenerid aga mõtlevad, kas need projektid on seda tohutut investeeringut väärt. Osakeste füüsika Nobeli preemia laureaat Chen-Ning Yang kritiseeris kolm aastat tagasi oma ajaveebis supersümmeetria jälgede otsimist uue supersümmeetria abil, nimetades seda "arvamismänguks". Väga kallis oletus. Teda kordasid paljud Hiina teadlased ja Euroopas rääkisid teaduse valgustid FCC projektist samas vaimus.
Sellest teatas Gizmodole Frankfurdi Kõrgkoolide Instituudi füüsik Sabine Hossenfelder. -
Võimsamate põrkurite loomise projektide kriitikud märgivad, et olukord on teistsugune kui selle ehitamise ajal. Siis oli teada, et me isegi otsime Bogs Higgs. Nüüd on eesmärgid vähem määratletud. Ja Higgsi avastust kohandatud suure hadronite põrkeseadme katsete tulemuste vaikus – ilma läbimurdelisi leide pole alates 2012. aastast – on mõneti kurjakuulutav.
Lisaks on teada-tuntud, kuid võib-olla mitte universaalne tõsiasi, et kõik, mida me LHC katsete tulemuste kohta teame, pärineb ainult umbes 0,003% siis saadud andmete analüüsist. Me lihtsalt ei suutnud rohkemaga hakkama saada. Ei saa välistada, et meid kummitavatele füüsika suurküsimustele on vastused juba 99,997% sees, millega me pole arvestanud. Nii et võib-olla ei pea te niivõrd ehitama teist suurt ja kallist masinat, vaid leidma võimaluse palju rohkem teavet analüüsida?
Tasub kaaluda, eriti kuna füüsikud loodavad masinast veelgi rohkem välja pigistada. Hiljuti alanud kaheaastane seisak (nn) hoiab põrkuri passiivsena kuni 2021. aastani, võimaldades hooldust (2). Seejärel hakkab see töötama sarnasel või mõnevõrra kõrgemal energial, enne kui see läbib 2023. aastal põhjaliku uuenduse, mis on kavandatud 2026. aastaks.
See moderniseerimine läheb maksma miljard dollarit (odav võrreldes FCC planeeritud maksumusega) ja selle eesmärk on luua nn. Kõrge heledusega LHC. Aastaks 2030 võib see kümnekordistada kokkupõrgete arvu, mida auto tekitab sekundis.
2. LHC remonditööd
see oli neutriino
Üks osakestest, mida LHC-s ei tuvastatud, kuigi see eeldati, on see WIMP laiendus (-nõrgalt interakteeruvad massiivsed osakesed). Need on hüpoteetilised rasked osakesed (alates 10 GeV / s² kuni mitu TeV / s², samas kui prootonite mass on veidi alla 1 GeV / s²), mis interakteeruvad nähtava ainega nõrga vastasmõjuga võrreldava jõuga. Nad selgitaksid salapärast massi, mida nimetatakse tumeaineks ja mis on universumis viis korda tavalisem kui tavaline aine.
LHC-s ei leitud nendes 0,003% katseandmetes WIMP-sid. Selleks on aga odavamaid meetodeid – näiteks. XENON-NT eksperiment (3), tohutu mahuti vedela ksenooniga sügaval maa all Itaalias ja seda viiakse uurimisvõrku. Teises tohutus ksenoonivaadis, LZ-s Lõuna-Dakotas, alustatakse otsinguid juba 2020. aastal.
Teist eksperimenti, mis koosneb ülitundlikest ülikülmadest pooljuhtdetektoritest, nimetatakse SuperKDMS SNOLAB, alustab andmete üleslaadimist Ontariosse 2020. aasta alguses. Seega suureneb võimalus 20 sajandi XNUMXndatel need salapärased osakesed lõpuks "tulistada".
Vimplid pole ainsad tumeaine kandidaadid, keda teadlased otsivad. Selle asemel võivad katsed toota alternatiivseid osakesi, mida nimetatakse aksioonideks, mida ei saa otse jälgida nagu neutriinosid.
On väga tõenäoline, et järgmine kümnend kuulub neutriinodega seotud avastuste päralt. Need on universumi kõige levinumate osakeste hulgas. Samas üks raskemini uuritavaid, sest neutriinod suhtlevad tavaainega väga nõrgalt.
Teadlased on juba ammu teadnud, et see osake koosneb kolmest eraldiseisvast niinimetatud maitsest ja kolmest eraldi massiseisundist – kuid need ei kattu täpselt maitsetega ning iga maitse on kvantmehaanika tõttu kolme massiseisundi kombinatsioon. Teadlased loodavad välja selgitada nende masside täpsed tähendused ja nende ilmumise järjekorra, kui neid iga lõhnaaine loomiseks kombineerida. Katsed nagu KATERIINA Saksamaal peavad nad lähiaastatel koguma nende väärtuste määramiseks vajalikke andmeid.
3. XENON-nT detektori mudel
Neutriinodel on kummalised omadused. Näiteks kosmoses reisides näivad need maitsete vahel võnguvat. Eksperdid alates Jiangmeni maa-alune neutriinoobservatoorium Hiinas, mis peaks järgmisel aastal koguma andmeid lähedalasuvate tuumajaamade neutriinode kohta.
Seda tüüpi projekt on olemas Super-Kamiokande, vaatlused Jaapanis on kestnud juba pikka aega. USA on alustanud oma neutriinode katseobjektide rajamist. LBNF Illinoisis ja katset neutriinodega sügavusel DUNES Lõuna-Dakotas.
1,5 miljardi dollari suurune mitme riigi rahastatud LBNF/DUNE projekt peaks algama 2024. aastal ja olema täielikult töökorras 2027. aastaks. Muud neutriino saladuste avamiseks mõeldud katsed hõlmavad järgmist AVENUE, Tennessee osariigis Oak Ridge'i riiklikus laboris ja lühike baasjoone neutriinoprogramm, Illinoisi osariigis Fermilabis.
Projektis omakorda Legend-200, 2021. aastal avamiseks kavandatud nähtust uuritakse neutriinivaba topelt-beeta lagunemisena. Eeldatakse, et kaks neutronit aatomi tuumast lagunevad samaaegselt prootoniteks, millest igaüks paiskab välja elektroni ja , puutub kokku teise neutriinoga ja annihileerub.
Kui selline reaktsioon eksisteeriks, annaks see tõendeid selle kohta, et neutriinod on nende endi antiaine, kinnitades kaudselt teist teooriat varase universumi kohta – selgitades, miks ainet on rohkem kui antiainet.
Füüsikud tahavad lõpuks vaadata ka salapärasesse tumeenergiasse, mis imbub kosmosesse ja paneb universumi paisuma. Tumeenergia spektroskoopia Tööriist (DESI) alustas tööd alles eelmisel aastal ja eeldatavasti lansseeritakse 2020. aastal. Suur sünoptiline vaatlusteleskoop Tšiilis, mida piloteerib Riiklik Teadusfond/Energeetikaministeerium, peaks seda varustust kasutav täiemahuline uurimisprogramm algama 2022. aastal.
С другой стороны (4), mis oli määratud saama lõppeva kümnendi sündmuseks, saab lõpuks kahekümnenda aastapäeva kangelaseks. Lisaks kavandatavatele otsingutele aitab see kaasa tumeenergia uurimisele galaktikaid ja nende nähtusi vaadeldes.
4. James Webbi teleskoobi visualiseerimine
Mida me küsime
Terve mõistuse järgi ei ole järgmine kümnend füüsikas edukas, kui kümne aasta pärast esitame samu vastuseta küsimusi. See on palju parem, kui saame vastused, mida tahame, aga ka siis, kui tekivad täiesti uued küsimused, sest me ei saa loota olukorrale, kus füüsika ütleb kunagi: "Mul pole enam küsimusi".
