Kako izaći iz ćorsokaka u fizici?
Sljedeća generacija sudarača čestica koštat će milijarde dolara. Postoje planovi za izgradnju takvih uređaja u Europi i Kini, ali znanstvenici postavljaju pitanje ima li to smisla. Možda bismo trebali potražiti novi način eksperimentiranja i istraživanja koji će dovesti do proboja u fizici?
Standardni model je više puta potvrđen, uključujući i na Velikom hadronskom sudaraču (LHC), ali ne ispunjava sva očekivanja fizike. Ne može objasniti misterije poput postojanja tamne tvari i tamne energije ili zašto je gravitacija toliko različita od drugih temeljnih sila.
U znanosti koja se tradicionalno bavi takvim problemima, postoji način da se te hipoteze potvrde ili opovrgnu. prikupljanje dodatnih podataka - u ovom slučaju od boljih teleskopa i mikroskopa, a možda i od potpuno novih, još većih super branik to će stvoriti priliku da bude otkriveno supersimetrične čestice.
Godine 2012. Institut za fiziku visokih energija Kineske akademije znanosti objavio je plan za izgradnju divovskog super brojača. Planirani Elektronski pozitronski sudarač (CEPC) imao bi opseg od oko 100 km, skoro četiri puta veći od LHC-a (1). Kao odgovor, 2013. godine, operater LHC-a, odnosno CERN, najavio je svoj plan za novi uređaj za sudar tzv. Budući kružni sudarač (FCC).
1. Usporedba veličina planiranih CEPC, FCC i LHC akceleratora.
Međutim, znanstvenici i inženjeri se pitaju hoće li ovi projekti biti vrijedni velikih ulaganja. Chen-Ning Yang, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku čestica, prije tri je godine na svom blogu kritizirao potragu za tragovima supersimetrije koristeći novu supersimetriju, nazvavši to "igrom pogađanja". Vrlo skupa pretpostavka. To su ponovili mnogi znanstvenici u Kini, au Europi su svjetla znanosti u istom duhu govorila o projektu FCC.
To je za Gizmodo izvijestila Sabine Hossenfelder, fizičarka s Instituta za napredne studije u Frankfurtu. -
Kritičari projekata za stvaranje snažnijih sudarača napominju da je situacija drugačija od one kada je izgrađen. Tada se znalo da čak i tražimo Bogs Higgs. Sada su ciljevi manje definirani. I šutnja u rezultatima eksperimenata koje je proveo Veliki hadronski sudarač koji je nadograđen kako bi se prilagodio Higgsovom otkriću - bez otkrića proboja od 2012. - pomalo je zlokobna.
Osim toga, dobro je poznata, ali možda ne i univerzalna činjenica da sve što znamo o rezultatima eksperimenata na LHC-u dolazi iz analize samo oko 0,003% tada dobivenih podataka. Jednostavno nismo mogli podnijeti više. Ne može se isključiti da su odgovori na velika pitanja fizike koja nas progone već u onih 99,997% koje nismo razmatrali. Dakle, možda vam nije potrebno toliko da napravite još jedan veliki i skup stroj, koliko da pronađete način da analizirate mnogo više informacija?
Vrijedi razmisliti, pogotovo jer se fizičari nadaju da će iz automobila izvući još više. Dvogodišnji zastoj (tzv.) koji je započeo nedavno održat će sudarač neaktivnim do 2021., što će omogućiti održavanje (2). Tada će početi raditi na sličnim ili nešto višim energijama, prije nego što prođe kroz veliku nadogradnju 2023., a završetak je planiran za 2026. godinu.
Ova modernizacija koštat će milijardu dolara (jeftino u odnosu na planirani trošak FCC), a cilj joj je stvoriti tzv. Visoka svjetlina-LHC. Do 2030. to bi moglo deset puta povećati broj sudara koji automobil proizvede u sekundi.
2. Popravci na LHC-u
bio je to neutrino
Jedna od čestica koja nije otkrivena na LHC-u, iako se očekivalo da jest, jest Wimp (-slabo interakcijske masivne čestice). To su hipotetske teške čestice (od 10 GeV/s² do nekoliko TeV/s², dok je masa protona nešto manja od 1 GeV/s²) koje međusobno djeluju s vidljivom materijom sa silom usporedivom sa slabom interakcijom. Objasnili bi tajanstvenu masu zvanu tamna tvar, koja je pet puta češća u svemiru od obične materije.
Na LHC-u nisu pronađeni WIMP-ovi u ovih 0,003% eksperimentalnih podataka. No, za to postoje i jeftinije metode – npr. XENON-NT eksperiment (3), ogromna posuda s tekućim ksenonom duboko pod zemljom u Italiji i u procesu unošenja u istraživačku mrežu. U još jednoj ogromnoj posudi s ksenonom, LZ u Južnoj Dakoti, potraga će početi već 2020. godine.
Drugi eksperiment, koji se sastoji od superosjetljivih ultrahladnih poluvodičkih detektora, zove se SuperKDMS SNOLAB, počet će učitavati podatke u Ontario početkom 2020. Dakle, šanse da se ove tajanstvene čestice konačno "pucaju" 20-ih godina XNUMX. stoljeća rastu.
Slabiji nisu jedini kandidati za tamnu materiju koje znanstvenici traže. Umjesto toga, eksperimenti mogu proizvesti alternativne čestice zvane aksione, koje se ne mogu izravno promatrati poput neutrina.
Vrlo je vjerojatno da će sljedeće desetljeće pripadati otkrićima vezanim za neutrine. One su među najzastupljenijim česticama u svemiru. Istodobno, jedan od najtežih za proučavanje, jer neutrini vrlo slabo djeluju s običnom materijom.
Znanstvenici već dugo znaju da se ova čestica sastoji od tri odvojena takozvana okusa i tri odvojena masena stanja - ali oni ne odgovaraju točno okusima, a svaki je okus kombinacija triju masenih stanja zbog kvantne mehanike. Istraživači se nadaju da će saznati točna značenja ovih masa i redoslijed kojim se pojavljuju kada se kombiniraju za stvaranje svakog mirisa. Eksperimenti kao što su KATARINA u Njemačkoj moraju prikupiti podatke potrebne za utvrđivanje ovih vrijednosti u narednim godinama.
3. Model XENON-nT detektora
Neutrini imaju čudna svojstva. Putujući svemirom, na primjer, čini se da osciliraju između okusa. Stručnjaci iz Podzemni neutrin opservatorij Jiangmen u Kini, za koju se očekuje da će sljedeće godine početi prikupljati podatke o neutrinima emitiranim iz obližnjih nuklearnih elektrana.
Postoji projekt ovog tipa Super-Kamiokande, zapažanja u Japanu vršena su dugo vremena. SAD je počeo graditi vlastita poligona za testiranje neutrina. LBNF u Illinoisu i eksperiment s neutrinima na dubini DUNE u Južnoj Dakoti.
Očekuje se da će projekt LBNF/DUNE, vrijedan 1,5 milijardi dolara, financiran iz više zemalja, započeti 2024. i biti u potpunosti operativan do 2027. Drugi eksperimenti osmišljeni da otkriju tajne neutrina uključuju AVENIJA, u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge u Tennesseeju, i kratki osnovni neutrin program, u Fermilabu, Illinois.
Zauzvrat, u projektu Legenda-200, Predviđeno za otvaranje 2021. godine, proučavat će se fenomen poznat kao dvostruki beta raspad bez neutrina. Pretpostavlja se da se dva neutrona iz jezgre atoma istovremeno raspadaju na protone, od kojih svaki izbacuje elektron i , dolazi u dodir s drugim neutrinom i anihilira.
Kada bi takva reakcija postojala, pružila bi dokaz da su neutrini njihova vlastita antimaterija, posredno potvrđujući još jednu teoriju o ranom svemiru – objašnjavajući zašto postoji više materije nego antimaterije.
Fizičari također žele konačno pogledati u tajanstvenu tamnu energiju koja prodire u svemir i uzrokuje širenje svemira. Spektroskopija tamne energije Alat (DESI) počeo je raditi tek prošle godine, a očekuje se da će biti lansiran 2020. godine. Veliki sinoptički teleskop u Čileu, koji je pilotirao Nacionalna znanstvena zaklada/Odjel za energetiku, punopravni istraživački program koji koristi ovu opremu trebao bi započeti 2022. godine.
Na drugoj strani (4), koji je bio predodređen da postane događaj odlazećeg desetljeća, na kraju će postati heroj dvadesete obljetnice. Uz planirana pretraživanja, pridonijet će proučavanju tamne energije promatranjem galaksija i njihovih pojava.
4. Vizualizacija teleskopa James Webb
Što ćemo pitati
Zdravorazumski, sljedeće desetljeće u fizici neće biti uspješno ako deset godina od sada budemo postavljali ista pitanja bez odgovora. Bit će puno bolje kada dobijemo odgovore koje želimo, ali i kada se pojave potpuno nova pitanja, jer ne možemo računati na situaciju u kojoj će fizika reći: "Nemam više pitanja", nikada.
