Како да се извлечете од ќорсокак во физиката?

Следната генерација на судирач на честички ќе чини милијарди долари. Постојат планови за изградба на такви уреди во Европа и Кина, но научниците се сомневаат дали тоа има смисла. Можеби е подобро да бараме нов начин на експериментирање и истражување што ќе доведе до пробив во физиката? 

Стандардниот модел е потврден многу пати, вклучително и кај Големиот хадронски судирач (LHC), но не ги исполнува сите очекувања на физиката. Не може да објасни мистерии како што се постоењето на темната материја и темната енергија или зошто гравитацијата е толку различна од другите фундаментални сили.

Во науката, која традиционално се занимава со вакви проблеми, постои начин да се потврдат или побијат овие хипотези. собирање дополнителни податоци - во овој случај од подобри телескопи и микроскопи и, можеби, од сосема нов, уште поголем супер браник што ќе создаде шанса да биде откриен суперсиметрични честички.

Во 2012 година, Институтот за физика со висока енергија на Кинеската академија на науките објави план за изградба на џиновски суперконтра. Планирано Електронски позитронски судирач (CEPC) би имал обем од околу 100 km, речиси четири пати поголем од LHC (1). Како одговор, во 2013 година, операторот на LHC, т.е. CERN, го објави својот план за создавање на нов уред за судир наречен Иден кружен судирач (FCC).

1. Споредба на големини на планираните акцелератори CEPC, FCC и LHC.

Сепак, научниците и инженерите се прашуваат дали овие проекти ќе бидат вредни за огромната инвестиција. Чен-Нинг Јанг, добитник на Нобеловата награда за физика на честички, ја критикуваше потрагата по траги од суперсиметрија користејќи нова суперсиметрија во блог пост пред три години, нарекувајќи ја „игра на погодување“. Многу скапа претпоставка. Него го повторија многу научници во Кина, а во Европа, научните светилници зборуваа во истиот дух за проектот FCC.

Сабине Хосенфелдер, физичарка од Институтот за напредни студии во Франкфурт, изјави за Gizmodo. -

Критичарите на проектите за изградба на помоќни колајдери забележуваат дека ситуацијата е поинаква од кога бил изграден. Во тоа време се знаеше дека дури и бараме Хигсовиот бозон. Сега целите се помалку дефинирани. И тишината во резултатите од експериментите спроведени од Големиот хадронски судирач, надграден за откритието на Хигс - кога ниту едно откритие не се појавило од 2012 година - е донекаде застрашувачко.

Покрај тоа, постои добро познат, но можеби не сите, факт дека сè што знаеме за резултатите од експериментите на LHC доаѓа од анализа на само околу 0,003% од податоците добиени тогаш. Едноставно не можевме повеќе да се справиме. Не може да се исклучи дека одговорите на големите прашања од физиката што не прогонуваат веќе се вклучени во 99,997% што не сме ги разгледале. Значи, можеби она што ви треба не е толку да изградите друга голема, скапа машина, туку да најдете начин да анализирате многу повеќе информации?

Вреди да се размисли, особено затоа што физичарите се надеваат дека ќе исцедат уште повеќе од машината. Двегодишното застој (т.н.) што започна неодамна ќе го одржува судирот во мирување до 2021 година, овозможувајќи одржување (2). Потоа ќе почне да работи со слични или малку повисоки енергии пред да претрпи голема надградба во 2023 година, а завршувањето е планирано за 2026 година.

Оваа модернизација ќе чини една милијарда долари (евтини во однос на планираните трошоци на ФКК), а нејзината цел е да се создаде т.н. Висока осветленост-LHC. До 2030 година, ова би можело да го зголеми бројот на судири на автомобил во секунда за десет пати.

2. Поправка на LHC

тоа беше неутрино

Една од честичките што не беше откриена на LHC, иако се надеваше, е Вимп (- масивни честички со слаба интеракција). Ова се хипотетички тешки честички (од 10 GeV/s² до неколку TeV/s², со маса на протон малку помала од 1 GeV/s²), кои комуницираат со видливата материја со сила споредлива со слабата интеракција. Тие би ја објасниле мистериозната мистериозна маса наречена темна материја, која е пет пати почеста во универзумот од обичната материја.

LHC не откри WIMP во овие 0,003% од експерименталните податоци. Сепак, постојат поевтини методи за ова - на пр. XENON-nT експеримент (3), огромен сад со течен ксенон длабоко под земја во Италија и во процес на внесување во истражувачка мрежа. Во друг огромен шпорет на ксенон, LZ во Јужна Дакота, потрагата ќе започне во 2020 година.

Друг експеримент, кој се состои од ултра чувствителни ултра-ладни полупроводнички детектори, е наречен SuperKDMS SNOLAB, ќе започне со преземање податоци во Онтарио на почетокот на 2020 година. Така, шансите за конечно „заробување“ на овие мистериозни честички во 20-тите се зголемуваат.

Вимпите не се единствените кандидати за темна материја по кои научниците бараат. Наместо тоа, експериментите можат да произведат алтернативни честички наречени аксиони, кои не можат директно да се набљудуваат како неутрината.

Многу е веројатно дека следната деценија ќе биде доминирана од откритија поврзани со неутрината. Тие се меѓу најчестите честички во универзумот. Во исто време, еден од најтешките за проучување, бидејќи неутрините многу слабо комуницираат со обичната материја.

Научниците одамна знаат дека оваа честичка е составена од три одделни таканаречени вкусови и три одделни состојби на маса - но тие целосно не одговараат на вкусовите, а секој вкус е комбинација од три состојби на маса поради квантната механика. Истражувачите се надеваат дека ќе ги научат точните вредности на овие маси и редоследот по кој се појавуваат кога ќе се спојат за да го создадат секој вкус. Експерименти како што се Кетрин во Германија мора да ги соберат податоците потребни за да се утврдат овие вредности во наредните години.

3. Модел на детектор XENON-nT

Неутрините имаат чудни својства. Кога патуваат, на пример, во вселената, изгледаат како да осцилираат меѓу вкусовите. Експерти од Подземна неутрина опсерваторија Џиангмен во Кина, која се очекува следната година да започне со собирање податоци за неутрината испуштени од блиските нуклеарни централи.

Има сличен тип на проект Супер Камиоканде, набљудувањата во Јапонија се спроведуваат долго време. Соединетите Американски Држави почнаа да градат свои полигони за тестирање неутрино. LBNF во Илиноис и експериментот со неутрина на длабочина ДУНЕ во Јужна Дакота.

Проектот LBNF/DUNE финансиран од повеќе земји од 1,5 милијарди долари се очекува да започне во 2024 година и да биде целосно оперативен до 2027 година. Други експерименти дизајнирани да ги отклучат тајните на неутрината вклучуваат АВЕНИЈА, во Националната лабораторија Оук Риџ во Тенеси, и Програма за неутрино со кратка основна линија, во Фермилаб, Илиноис.

За возврат, во проектот Легенда-200, Закажано за отворање во 2021 година, ќе го проучува феноменот познат како двојно бета распаѓање без неутрино. Се претпоставува дека два неутрони од јадрото на атомот истовремено се распаѓаат во протони, од кои секој исфрла електрон и , доаѓа во контакт со друго неутрино и се уништува.

Доколку постоела таква реакција, таа би обезбедила доказ дека неутрината се нивна сопствена антиматерија, што индиректно поддржува друга теорија за раниот универзум - објаснувајќи зошто има повеќе материја отколку антиматерија.

Физичарите, исто така, сакаат конечно да ја проучат мистериозната темна енергија која продира во вселената и води до ширење на универзумот. Спектроскопија на темна енергија Алатката (DESI) штотуку почна да се применува минатата година и се очекува да се вклучи во 2020 година. Голем синоптички телескоп во Чиле, пилотиран од Националната научна фондација/Одделот за енергија - полноправна истражувачка програма со користење на оваа опрема треба да започне во 2022 година.

С другой стороны (4), кој беше предодреден да стане настан на деценијата што заминува, на крајот ќе стане херој на дваесеттата. Покрај планираните пребарувања, ќе придонесе и за проучување на темната енергија со набљудување на галаксиите и нивните феномени.

4. Визуелизација на телескопот Џејмс Веб

Што ќе прашаме

Здравиот разум е дека следната деценија во физиката нема да биде успешна ако десет години од сега ги поставуваме истите неодговорени прашања. Ќе биде многу подобро кога ќе ги добиеме одговорите што ги сакаме, но и кога ќе се појават сосема нови прашања, бидејќи никогаш не можеме да сметаме на ситуација во која физиката вели: „Немам повеќе прашања“.