Ako sa dostať zo slepej uličky vo fyzike?
Zrážač častíc ďalšej generácie bude stáť miliardy dolárov. V Európe a Číne existujú plány na výrobu takýchto zariadení, no vedci sa pýtajú, či to má zmysel. Možno by sme mali hľadať nový spôsob experimentovania a výskumu, ktorý povedie k prelomu vo fyzike?
Štandardný model bol opakovane potvrdený, vrátane veľkého hadrónového urýchľovača (LHC), ale nespĺňa všetky očakávania fyziky. Nedokáže vysvetliť záhady, ako je existencia temnej hmoty a temnej energie, ani to, prečo je gravitácia taká odlišná od iných základných síl.
Vo vede, ktorá sa tradične zaoberá takýmito problémami, existuje spôsob, ako potvrdiť alebo vyvrátiť tieto hypotézy. zber dodatočných údajov - v tomto prípade z lepších ďalekohľadov a mikroskopov a možno z úplne nového, ešte väčšieho super nárazník čo vytvorí šancu byť objavený supersymetrické častice.
V roku 2012 oznámil Inštitút fyziky vysokých energií Čínskej akadémie vied plán postaviť obrovský superpočítač. Plánované Elektrón-pozitrónový urýchľovač (CEPC) mal by obvod asi 100 km, takmer štvornásobok obvodu LHC (1). V reakcii na to v roku 2013 prevádzkovateľ LHC, teda CERN, oznámil svoj plán nového kolízneho zariadenia tzv. Budúci kruhový urýchľovač (FCC).
1. Porovnanie veľkosti plánovaných urýchľovačov CEPC, FCC a LHC.
Vedcov a inžinierov však zaujíma, či tieto projekty budú stáť za obrovskú investíciu. Chen-Ning Yang, nositeľ Nobelovej ceny za časticovú fyziku, pred tromi rokmi na svojom blogu kritizoval hľadanie stôp supersymetrie pomocou novej supersymetrie a nazval to „hádaním“. Veľmi drahý odhad. Zopakovali to mnohí vedci v Číne av rovnakom duchu hovorili o projekte FCC aj významní predstavitelia vedy.
Gizmodovi to oznámila Sabine Hossenfelderová, fyzička z Inštitútu pre pokročilé štúdium vo Frankfurte. -
Kritici projektov na vytvorenie výkonnejších zrážačov poznamenávajú, že situácia je iná, ako keď bol postavený. Vtedy sa vedelo, že sme dokonca hľadali Bogs Higgs. Teraz sú ciele menej definované. A ticho vo výsledkoch experimentov uskutočnených Veľkým hadrónovým urýchľovačom vylepšeným tak, aby vyhovoval Higgsovmu objavu – bez žiadnych prelomových zistení od roku 2012 – je trochu zlovestné.
Okrem toho je známy, no možno nie univerzálny fakt, že všetko, čo vieme o výsledkoch experimentov na LHC, pochádza z analýzy len asi 0,003 % vtedy získaných údajov. Viac sme jednoducho nezvládli. Nedá sa vylúčiť, že odpovede na veľké otázky fyziky, ktoré nás prenasledujú, sú už v tých 99,997 %, ktoré sme nezohľadnili. Takže možno nepotrebujete ani tak postaviť ďalší veľký a drahý stroj, ale nájsť spôsob, ako analyzovať oveľa viac informácií?
Stojí to za zváženie, najmä preto, že fyzici dúfajú, že zo stroja vyžmýkajú ešte viac. Dvojročný prestoj (takzvaný), ktorý sa začal nedávno, udrží urýchľovač neaktívny až do roku 2021, čo umožní údržbu (2). Potom začne fungovať pri podobných alebo o niečo vyšších energiách a potom prejde významnou modernizáciou v roku 2023, pričom dokončenie je naplánované na rok 2026.
Táto modernizácia bude stáť jednu miliardu dolárov (lacná v porovnaní s plánovanými nákladmi FCC) a jej cieľom je vytvorenie tzv. Vysoká svietivosť-LHC. Do roku 2030 by to mohlo desaťnásobne zvýšiť počet kolízií, ktoré auto vyprodukuje za sekundu.
2. Opravné práce na LHC
bolo to neutrino
Jedna z častíc, ktorá nebola detegovaná na LHC, hoci sa to očakávalo, je rozšírenie WIMP (-slabo interagujúce masívne častice). Ide o hypotetické ťažké častice (od 10 GeV / s² do niekoľkých TeV / s², pričom hmotnosť protónov je o niečo menšia ako 1 GeV / s²), ktoré interagujú s viditeľnou hmotou silou porovnateľnou so slabou interakciou. Vysvetlili by záhadnú hmotu zvanú temná hmota, ktorá je vo vesmíre päťkrát bežnejšia ako bežná hmota.
Na LHC sa v týchto 0,003 % experimentálnych údajov nenašli žiadne WIMP. Na to však existujú lacnejšie metódy – napr. Experiment XENON-NT (3), obrovská nádrž s tekutým xenónom hlboko pod zemou v Taliansku a práve sa dodáva do výskumnej siete. V ďalšej obrovskej xenónovej nádobe, LZ v Južnej Dakote, sa začne hľadanie už v roku 2020.
Ďalší experiment pozostávajúci zo supersenzitívnych ultrachladných polovodičových detektorov je tzv SuperKDMS SNOLAB, začne nahrávať údaje do Ontária začiatkom roka 2020. Takže šanca, že konečne „zostrelíme“ tieto záhadné častice v 20. rokoch XNUMX storočia, sa zvyšuje.
Wimps nie sú jedinými kandidátmi na temnú hmotu, po ktorých vedci pátrajú. Namiesto toho môžu experimenty produkovať alternatívne častice nazývané axióny, ktoré nemožno priamo pozorovať ako neutrína.
Je veľmi pravdepodobné, že nasledujúce desaťročie bude patriť objavom súvisiacim s neutrínami. Patria medzi najbežnejšie častice vo vesmíre. Zároveň jeden z najťažších na štúdium, pretože neutrína interagujú s bežnou hmotou veľmi slabo.
Vedci už dlho vedia, že táto častica sa skladá z troch samostatných takzvaných príchutí a troch samostatných hmotnostných stavov – ale s príchuťami sa presne nezhodujú a každá príchuť je kombináciou troch hmotnostných stavov v dôsledku kvantovej mechaniky. Vedci dúfajú, že zistia presný význam týchto hmôt a poradie, v akom sa objavujú, keď sa spoja, aby vytvorili jednotlivé vône. Experimenty ako napr KATHERINE v Nemecku musia zbierať údaje potrebné na určenie týchto hodnôt v nasledujúcich rokoch.
3. Model detektora XENON-nT
Neutrína majú zvláštne vlastnosti. Napríklad pri cestovaní vesmírom akoby oscilovali medzi vkusmi. Odborníci z Podzemné observatórium neutrín Jiangmen v Číne, od ktorej sa očakáva, že budúci rok začne zbierať údaje o neutrínach emitovaných z blízkych jadrových elektrární.
Existuje projekt tohto typu Super-Kamiokande, pozorovania v Japonsku prebiehajú už dlho. USA začali budovať svoje vlastné testovacie miesta pre neutrín. LBNF v Illinois a experiment s neutrínami v hĺbke PIESOČNÁ DUNA v Južnej Dakote.
Očakáva sa, že projekt LBNF/DUNE financovaný z viacerých krajín vo výške 1,5 miliardy USD sa začne v roku 2024 a plne funkčný do roku 2027. Medzi ďalšie experimenty navrhnuté na odhalenie tajomstiev neutrína patria TRIEDA, v národnom laboratóriu Oak Ridge v Tennessee a krátky základný neutrínový program, vo Fermilabe, Illinois.
Na druhej strane v projekte Legenda-200, S plánovaným otvorením v roku 2021 sa bude skúmať fenomén známy ako bezneutrínový dvojitý beta rozpad. Predpokladá sa, že dva neutróny z jadra atómu sa súčasne rozpadajú na protóny, z ktorých každý vyvrhne elektrón a , prichádza do kontaktu s iným neutrínom a anihiluje.
Ak by takáto reakcia existovala, poskytla by dôkaz, že neutrína sú ich vlastnou antihmotou, čím by sa nepriamo potvrdila ďalšia teória o ranom vesmíre – vysvetľujúca, prečo je hmoty viac ako antihmoty.
Fyzici sa tiež chcú konečne pozrieť do tajomnej temnej energie, ktorá presakuje do vesmíru a spôsobuje rozpínanie vesmíru. Spektroskopia temnej energie Nástroj (DESI) začal fungovať len minulý rok a očakáva sa, že bude spustený v roku 2020. Veľký synoptický prieskumný ďalekohľad v Čile, pilotovaný National Science Foundation/Department of Energy, by sa v roku 2022 mal začať plnohodnotný výskumný program využívajúci toto zariadenie.
С другой стороны (4), ktorá bola predurčená stať sa udalosťou odchádzajúceho desaťročia, sa nakoniec stane hrdinom dvadsiateho výročia. Okrem plánovaných pátraní prispeje k štúdiu temnej energie pozorovaním galaxií a ich javov.
4. Vizualizácia teleskopu Jamesa Webba
Čo sa budeme pýtať
V zdravom rozume, ďalšie desaťročie vo fyzike nebude úspešné, ak si o desať rokov budeme klásť tie isté nezodpovedané otázky. Oveľa lepšie bude, keď dostaneme odpovede, ktoré chceme, ale aj keď sa objavia úplne nové otázky, pretože nikdy nemôžeme počítať so situáciou, v ktorej fyzika povie: „Už nemám žiadne otázky“.
