Kako izaći iz ćorsokaka u fizici?
Nova generacija sudarača čestica koštat će milijarde dolara. Postoje planovi za proizvodnju takvih uređaja u Evropi i Kini, ali naučnici postavljaju pitanje da li to ima 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 kao što su postojanje tamne materije i tamne energije, ili zašto se gravitacija toliko razlikuje od drugih fundamentalnih sila.
U nauci koja se tradicionalno bavi takvim problemima, postoji način da se ove hipoteze potvrde ili opovrgnu. prikupljanje dodatnih podataka - u ovom slučaju od boljih teleskopa i mikroskopa, a možda i od potpuno novog, još većeg super branik to će stvoriti šansu da budete otkriveni supersimetrične čestice.
Godine 2012. Institut za fiziku visokih energija Kineske akademije nauka objavio je plan za izgradnju ogromnog super brojača. Planirano Elektronski pozitronski sudarač (CEPC) imao bi obim 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. Poređenje veličina planiranih CEPC, FCC i LHC akceleratora.
Međutim, naučnici i inženjeri se pitaju da li će ovi projekti biti vrijedni velikih ulaganja. Chen-Ning Yang, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku čestica, prije tri godine je na svom blogu kritizirao potragu za tragovima supersimetrije koristeći novu supersimetriju, nazvavši to "igrom pogađanja". Veoma skupa pretpostavka. To su ponovili mnogi naučnici u Kini, au Evropi su svetila nauke u istom duhu govorila o FCC projektu.
Ovo je Gizmodu izvijestila Sabine Hossenfelder, fizičarka sa Instituta za napredne studije u Frankfurtu. -
Kritičari projekata za stvaranje snažnijih sudara napominju da je situacija drugačija od one kada je izgrađen. Tada se znalo da čak i tražimo Bogs Higgs. Sada su ciljevi manje definisani. I tišina u rezultatima eksperimenata provedenih od strane Velikog hadronskog sudarača nadograđenog kako bi se prilagodila Higgsovom otkriću – bez otkrića proboja od 2012. – pomalo je zloslutna.
Osim toga, postoji dobro poznata, ali možda ne i univerzalna činjenica sve što znamo o rezultatima eksperimenata na LHC-u dolazi iz analize samo oko 0,003% tada dobijenih 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 jednu veliku i skupu mašinu, koliko da pronađete način da analizirate mnogo više informacija?
Vrijedi razmisliti, pogotovo jer se fizičari nadaju da će iz mašine izvući još više. Dvogodišnji zastoj (tzv.) koji je počeo 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. godine, a završetak je planiran za 2026. godinu.
Ova nadogradnja koštaće milijardu dolara (jeftino u odnosu na planirane troškove FCC), a cilj joj je stvaranje tzv. High Luminosity-LHC. Do 2030. ovo bi moglo deset puta povećati broj sudara koji automobil proizvede u sekundi.
2. Radovi na popravci LHC-a
to je bio neutrino
Jedna od čestica koja nije otkrivena na LHC-u, iako se očekivalo da jeste, jeste WIMP ekstenzija (-slabo interakciju masivnih čestica). To su hipotetičke teške čestice (od 10 GeV/s² do nekoliko TeV/s², dok je masa protona nešto manja od 1 GeV/s²) koje stupaju u interakciju sa vidljivom materijom sa silom koja je uporediva sa slabom interakcijom. Oni bi objasnili misterioznu misterioznu masu zvanu tamna materija, koja je pet puta češća u svemiru od obične materije.
Na LHC-u nisu pronađeni WIMP-ovi u ovih 0,003% eksperimentalnih podataka. Međutim, postoje jeftinije metode za to - na primjer. XENON-NT eksperiment (3), ogromna bačva tečnog ksenona duboko pod zemljom u Italiji i u procesu se unosi u istraživačku mrežu. U još jednoj ogromnoj bačvi sa 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 slati podatke u Ontario početkom 2020. Dakle, povećavaju se šanse da se ove misteriozne čestice konačno "pucaju" 20-ih godina XX veka.
Slabiji nisu jedini kandidati za tamnu materiju koje naučnici traže. Umjesto toga, eksperimenti mogu proizvesti alternativne čestice zvane aksione koje se ne mogu direktno promatrati poput neutrina.
Vrlo je vjerovatno da će naredna decenija pripadati otkrićima vezanim za neutrine. One su među najrasprostranjenijim česticama u svemiru. Istovremeno, jedan od najtežih za proučavanje, jer neutrini vrlo slabo komuniciraju sa običnom materijom.
Naučnici odavno znaju da se ova čestica sastoji od tri odvojena takozvana okusa i tri odvojena masena stanja – ali se ne poklapaju baš s okusima, a svaki okus je kombinacija tri masena stanja zbog kvantne mehanike. Istraživači se nadaju da će otkriti tačna značenja ovih masa i redoslijed u kojem se pojavljuju kada se kombiniraju za stvaranje svakog mirisa. Eksperimenti kao npr KATHERINE 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 ukusa. Stručnjaci iz Jiangmen Underground Neutrino Observatory u Kini, za koju se očekuje da će sljedeće godine početi prikupljati podatke o neutrinima emitiranim iz obližnjih nuklearnih elektrana.
Postoji projekat ovog tipa Super-Kamiokande, posmatranja u Japanu traju već duže vreme. Sjedinjene Američke Države su počele graditi vlastite poligone za testiranje neutrina. LBNF u Illinoisu i eksperiment s neutrinima na dubini DINA u Južnoj Dakoti.
Očekuje se da će projekat LBNF/DUNE, vrijedan 1,5 milijardi dolara, financiran iz više zemalja, početi 2024. i biti u potpunosti operativan do 2027. godine. Drugi eksperimenti dizajnirani da otkriju tajne neutrina uključuju AVENIJA, u Oak Ridge National Laboratory 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 jezgra atoma istovremeno raspadaju na protone, od kojih svaki izbacuje elektron i , dolazi u kontakt sa drugim neutrina i anihilira.
Kada bi takva reakcija postojala, to bi pružilo dokaz da su neutrini njihova vlastita antimaterija, indirektno potvrđujući drugu teoriju o ranom svemiru – objašnjavajući zašto postoji više materije nego antimaterije.
Fizičari također žele konačno pogledati tajanstvenu tamnu energiju koja prodire u svemir i uzrokuje širenje svemira. Spektroskopija tamne energije Alat (DESI) je počeo s radom tek prošle godine i očekuje se da će biti lansiran 2020. godine. Veliki sinoptički teleskop u Čileu, koji pilotira Nacionalna naučna fondacija/Odjel za energetiku, punopravni istraživački program koji koristi ovu opremu trebao bi započeti 2022. godine.
С другой стороны (4), koji je bio predodređen da postane događaj odlazeće decenije, na kraju će postati heroj dvadesete godišnjice. Osim planiranih pretraga, doprinijet će proučavanju tamne energije promatranjem galaksija i njihovih fenomena.
4. Vizualizacija teleskopa James Webb
Šta ćemo pitati
Po zdravom razumu, sljedeća decenija u fizici neće biti uspješna ako deset godina od sada budemo postavljali ista pitanja bez odgovora. Biće mnogo bolje kada dobijemo odgovore koje želimo, ali i kada se pojave potpuno nova pitanja, jer ne možemo da računamo na situaciju u kojoj će fizika reći: "Nemam više pitanja", nikada.
