Jak wyjść z impasu w fizyce?

Zderzacz cząstek nowej generacji będzie kosztował miliardy dolarów. Są plany budowy takich urządzeń w Europie i Chinach, ale naukowcy zastanawiają się, czy ma to sens. Może powinniśmy poszukać nowego sposobu eksperymentowania i badań, który doprowadzi do przełomu w fizyce? 

Model Standardowy został wielokrotnie potwierdzony, m.in. w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), ale nie spełnia wszystkich oczekiwań fizyki. Nie potrafi wyjaśnić tajemnic, takich jak istnienie ciemnej materii i ciemnej energii, ani dlaczego grawitacja tak bardzo różni się od innych podstawowych sił.

W nauce tradycyjnie zajmującej się takimi problemami istnieje sposób na potwierdzenie lub obalenie tych hipotez. zbieranie dodatkowych danych – w tym przypadku z lepszych teleskopów i mikroskopów, a może z zupełnie nowych, jeszcze większych super zderzak która stworzy szansę na odkrycie supersymetryczne cząstki.

W 2012 roku Instytut Fizyki Wysokich Energii Chińskiej Akademii Nauk ogłosił plan budowy gigantycznego super licznika. Zaplanowany Zderzacz elektronów pozytonów (CEPC) miałby obwód około 100 km, prawie czterokrotnie większy od LHC (1). W odpowiedzi w 2013 roku operator LHC, czyli CERN, ogłosił plan nowego urządzenia kolizyjnego o nazwie Zderzacz kołowy przyszłości (FCC).

1. Porównanie wielkości planowanych akceleratorów CEPC, FCC i LHC.

Jednak naukowcy i inżynierowie zastanawiają się, czy te projekty będą warte ogromnych inwestycji. Chen-Ning Yang, zdobywca nagrody Nobla w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych, trzy lata temu skrytykował na swoim blogu poszukiwania śladów supersymetrii za pomocą nowej supersymetrii, nazywając to „grą w zgadywanie”. Bardzo kosztowne przypuszczenie. Wtórowało mu wielu naukowców w Chinach, aw Europie luminarze nauki wypowiadali się w tym samym duchu o projekcie FCC.

Zostało to zgłoszone Gizmodo przez Sabinę Hossenfelder, fizyka z Institute for Advanced Study we Frankfurcie. -

Krytycy projektów mających na celu stworzenie potężniejszych zderzaczy zauważają, że sytuacja jest inna niż wtedy, gdy został zbudowany. Wiadomo było wtedy, że nawet szukamy Bozon Higgsa. Teraz cele są mniej określone. A milczenie w wynikach eksperymentów przeprowadzonych przez Wielki Zderzacz Hadronów zmodernizowanych w celu dostosowania do odkrycia Higgsa – bez przełomowych ustaleń od 2012 roku – jest nieco złowieszcze.

Ponadto istnieje dobrze znany, choć być może nie powszechny, fakt, że wszystko, co wiemy o wynikach eksperymentów w LHC, pochodzi z analizy zaledwie około 0,003% uzyskanych wówczas danych. Po prostu nie mogliśmy znieść więcej. Nie można wykluczyć, że odpowiedzi na wielkie pytania fizyki, które nas nawiedzają, są już w 99,997%, których nie braliśmy pod uwagę. Może więc nie tyle trzeba zbudować kolejną dużą i kosztowną maszynę, ile znaleźć sposób na przeanalizowanie znacznie większej ilości informacji?

Warto się nad tym zastanowić, zwłaszcza że fizycy mają nadzieję wycisnąć z samochodu jeszcze więcej. Rozpoczęty niedawno dwuletni przestój (tzw.) spowoduje, że zderzacz będzie nieaktywny do 2021 r., umożliwiając konserwację (2). Następnie zacznie działać przy podobnych lub nieco wyższych energiach, zanim przejdzie poważną modernizację w 2023 r., A zakończenie zaplanowano na 2026 r.

Modernizacja ta ma kosztować miliard dolarów (tanie w porównaniu z planowanym kosztem FCC), a jej celem jest stworzenie tzw. Wysoka jasność-LHC. Do 2030 roku może to zwiększyć dziesięciokrotnie liczbę kolizji generowanych przez samochód na sekundę.

2. Prace naprawcze na LHC

to było neutrino

Jedną z cząstek, która nie została wykryta w LHC, chociaż oczekiwano, że tak będzie, jest MIĘCZAK (-słabo oddziałujące masywne cząstki). Są to hipotetyczne cząstki ciężkie (od 10 GeV/s² do kilku TeV/s², przy masie protonu nieco poniżej 1 GeV/s²) oddziałujące z widoczną materią z siłą porównywalną do oddziaływania słabego. Wyjaśniliby tajemniczą masę zwaną ciemną materią, która jest pięć razy bardziej powszechna we wszechświecie niż zwykła materia.

W LHC w tych 0,003% danych eksperymentalnych nie znaleziono WIMP. Są jednak na to tańsze metody – np. Eksperyment XENON-NT (3), ogromna kadź z ciekłym ksenonem głęboko pod ziemią we Włoszech i jest w trakcie wprowadzania do sieci badawczej. W kolejnej ogromnej kadzi ksenonu, LZ w Południowej Dakocie, poszukiwania rozpoczną się już w 2020 roku.

Kolejny eksperyment, składający się z superczułych detektorów ultrazimnych półprzewodników, nazywa się SNOLAB SuperKDMS, rozpocznie przesyłanie danych do Ontario na początku 2020 r. Tak więc szanse na ostateczne „zestrzelenie” tych tajemniczych cząstek w latach 20. XX wieku rosną.

Mięczaki nie są jedynymi kandydatami na ciemną materię, których poszukują naukowcy. Zamiast tego eksperymenty mogą wytworzyć alternatywne cząstki zwane aksjonami, których nie można bezpośrednio obserwować, jak neutrina.

Jest bardzo prawdopodobne, że następna dekada będzie należała do odkryć związanych z neutrinami. Należą do najczęstszych cząstek we wszechświecie. Jednocześnie jeden z najtrudniejszych do zbadania, ponieważ neutrina bardzo słabo oddziałują ze zwykłą materią.

Naukowcy od dawna wiedzą, że ta cząsteczka składa się z trzech oddzielnych tak zwanych smaków i trzech oddzielnych stanów masowych – ale nie pasują one dokładnie do smaków, a każdy smak jest kombinacją trzech stanów masowych ze względu na mechanikę kwantową. Naukowcy mają nadzieję odkryć dokładne znaczenie tych mas i kolejność, w jakiej się pojawiają, gdy są łączone w celu stworzenia każdego zapachu. Eksperymenty np KATARZYNA w Niemczech muszą zebrać dane niezbędne do określenia tych wartości w nadchodzących latach.

3. Model detektora XENON-nT

Neutrina mają dziwne właściwości. Na przykład podróżując w kosmosie, wydają się oscylować między smakami. Eksperci z Podziemne Obserwatorium Neutrino Jiangmen w Chinach, które mają rozpocząć zbieranie danych o neutrinach emitowanych z pobliskich elektrowni jądrowych w przyszłym roku.

Jest projekt tego typu Super Kamiokande, obserwacje w Japonii trwają od dłuższego czasu. Stany Zjednoczone rozpoczęły budowę własnych miejsc do testowania neutrin. LBNF w Illinois i eksperyment z neutrinami na głębokości WYDMA w Południowej Dakocie.

Oczekuje się, że finansowany z wielu krajów projekt LBNF/DUNE o wartości 1,5 miliarda dolarów ma rozpocząć się w 2024 r. i być w pełni operacyjny do 2027 r. Inne eksperymenty mające na celu odkrycie tajemnic neutrina obejmują: ALEJA, w Narodowym Laboratorium Oak Ridge w Tennessee oraz krótki bazowy program neutrin, w Fermilabie w stanie Illinois.

Z kolei w projekcie Legenda-200, Otwarcie zaplanowane na 2021 r. zbada zjawisko znane jako podwójny rozpad beta bez neutrin. Zakłada się, że dwa neutrony z jądra atomu jednocześnie rozpadają się na protony, z których każdy wyrzuca elektron i , wchodzi w kontakt z innym neutrinem i ulega anihilacji.

Gdyby taka reakcja istniała, dostarczyłaby dowodów na to, że neutrina są ich własną antymaterią, pośrednio potwierdzając inną teorię o wczesnym wszechświecie - wyjaśniającą, dlaczego jest więcej materii niż antymaterii.

Fizycy chcą też wreszcie przyjrzeć się tajemniczej ciemnej energii, która przenika w kosmos i powoduje rozszerzanie się wszechświata. Spektroskopia ciemnej energii Narzędzie (DESI) zaczęło działać dopiero w zeszłym roku i ma zostać uruchomione w 2020 roku. Duży teleskop do badań synoptycznych w Chile, pilotowany przez Narodową Fundację Nauki/Departament Energii, pełnoprawny program badawczy z wykorzystaniem tego sprzętu powinien rozpocząć się w 2022 roku.

С другой стороны (4), który miał stać się wydarzeniem minionej dekady, stanie się ostatecznie bohaterem dwudziestej rocznicy. Oprócz planowanych poszukiwań przyczyni się do badania ciemnej energii poprzez obserwację galaktyk i ich zjawisk.

4. Wizualizacja Teleskopu Jamesa Webba

O co zapytamy

W zdrowym rozsądku następna dekada w fizyce nie zakończy się sukcesem, jeśli za dziesięć lat będziemy zadawać te same pytania bez odpowiedzi. O wiele lepiej będzie, gdy otrzymamy odpowiedzi, których oczekujemy, ale także, gdy pojawią się zupełnie nowe pytania, ponieważ nie możemy liczyć na sytuację, w której fizyka nigdy nie powie „nie mam więcej pytań”.