Si të dilni nga ngërçi në fizikë?

Përplasësi i grimcave të gjeneratës së ardhshme do të kushtojë miliarda dollarë. Ka plane për të ndërtuar pajisje të tilla në Evropë dhe Kinë, por shkencëtarët vënë në dyshim nëse kjo ka kuptim. Ndoshta duhet të kërkojmë një mënyrë të re eksperimentimi dhe kërkimi që do të çojë në një përparim në fizikë? 

Modeli Standard është konfirmuar në mënyrë të përsëritur, duke përfshirë përplasjen e madhe të Hadronit (LHC), por nuk i plotëson të gjitha pritshmëritë e fizikës. Nuk mund të shpjegojë mistere të tilla si ekzistenca e materies së errët dhe energjisë së errët, ose pse graviteti është kaq i ndryshëm nga forcat e tjera themelore.

Në shkencën që tradicionalisht merret me probleme të tilla, ekziston një mënyrë për të konfirmuar ose hedhur poshtë këto hipoteza. mbledhjen e të dhënave shtesë - në këtë rast, nga teleskopët dhe mikroskopët më të mirë, dhe ndoshta nga një krejtësisht i ri, edhe më i madh super parakolp që do të krijojë një shans për t'u zbuluar grimcat supersimetrike.

Në vitin 2012, Instituti i Fizikës së Energjisë së Lartë të Akademisë Kineze të Shkencave njoftoi një plan për të ndërtuar një super banak gjigant. E planifikuar Përplasësi i elektroneve pozitron (CEPC) do të kishte një perimetër prej rreth 100 km, pothuajse katër herë më shumë se LHC (1). Si përgjigje, në vitin 2013, operatori i LHC, d.m.th. CERN, njoftoi planin e tij për një pajisje të re përplasjeje të quajtur Përplasësi rrethor i së ardhmes (FCC).

1. Krahasimi i madhësisë së përshpejtuesve të planifikuar CEPC, FCC dhe LHC.

Megjithatë, shkencëtarët dhe inxhinierët po pyesin nëse këto projekte do të vlejnë investimin e madh. Chen-Ning Yang, një fitues i çmimit Nobel në fizikën e grimcave, kritikoi kërkimin e gjurmëve të supersimetrisë duke përdorur supersimetrinë e re tre vjet më parë në blogun e tij, duke e quajtur atë një "lojë me hamendje". Një supozim shumë i shtrenjtë. Atij i bënë jehonë shumë shkencëtarë në Kinë dhe në Evropë, ndriçuesit e shkencës folën me të njëjtën frymë për projektin FCC.

Kjo u raportua për Gizmodo nga Sabine Hossenfelder, një fizikane në Institutin për Studime të Avancuara në Frankfurt. -

Kritikët e projekteve për krijimin e përplasësve më të fuqishëm vërejnë se situata është e ndryshme nga ajo kur u ndërtua. Dihej në atë kohë që ne po kërkonim Bogs Higgs. Tani qëllimet janë më pak të përcaktuara. Dhe heshtja në rezultatet e eksperimenteve të kryera nga Përplasësi i Madh i Hadronit, i përmirësuar për të akomoduar zbulimin e Higgs - pa zbulime të reja që nga viti 2012 - është disi ogurzi.

Përveç kësaj, ekziston një fakt i njohur, por ndoshta jo universal, që gjithçka që dimë për rezultatet e eksperimenteve në LHC vjen nga analiza e vetëm rreth 0,003% të të dhënave të marra atëherë. Thjesht nuk mund të përballonim më shumë. Nuk mund të përjashtohet që përgjigjet për pyetjet e mëdha të fizikës që na ndjekin janë tashmë në 99,997% që nuk kemi marrë parasysh. Pra, ndoshta nuk ju duhet aq shumë për të ndërtuar një makinë tjetër të madhe dhe të shtrenjtë, por për të gjetur një mënyrë për të analizuar shumë më tepër informacion?

Vlen të merret në konsideratë, veçanërisht pasi fizikanët shpresojnë të shtrydhin edhe më shumë nga makina. Një ndërprerje dyvjeçare (e ashtuquajtura) që filloi kohët e fundit do ta mbajë përplasësin joaktiv deri në vitin 2021, duke lejuar mirëmbajtjen (2). Më pas do të fillojë të funksionojë me energji të ngjashme ose disi më të larta, përpara se t'i nënshtrohet një përmirësimi të madh në vitin 2023, me përfundimin e planifikuar për vitin 2026.

Ky përmirësim do të kushtojë një miliard dollarë (të lirë në krahasim me koston e planifikuar të FCC), dhe qëllimi i tij është të krijojë një të ashtuquajtur. Shkëlqim i lartë-LHC. Deri në vitin 2030, kjo mund të rrisë dhjetëfish numrin e përplasjeve që prodhon një makinë në sekondë.

2. Punë riparimi në LHC

ishte një neutrino

Një nga grimcat që nuk u zbulua në LHC, megjithëse pritej të ishte, është Wimp (-grimca masive me bashkëveprim të dobët). Këto janë grimca të rënda hipotetike (nga 10 GeV / s² në disa TeV / s², ndërsa masa e protonit është pak më e vogël se 1 GeV / s²) që ndërveprojnë me lëndën e dukshme me një forcë të krahasueshme me ndërveprimin e dobët. Ata do të shpjegonin masën misterioze misterioze të quajtur materia e errët, e cila është pesë herë më e zakonshme në univers sesa lënda e zakonshme.

Në LHC, nuk u gjet asnjë WIMP në këto 0,003% të të dhënave eksperimentale. Megjithatë, ka metoda më të lira për këtë - për shembull. Eksperiment XENON-NT (3), një vazo e madhe me ksenon të lëngshëm thellë nën tokë në Itali dhe në proces të futjes në rrjetin e kërkimit. Në një kazan tjetër të madh me ksenon, LZ në Dakotën e Jugut, kërkimi do të fillojë që në vitin 2020.

Një tjetër eksperiment, i përbërë nga detektorë gjysmëpërçues superndjeshëm ultra të ftohtë, quhet SuperKDMS SNOLAB, do të fillojë ngarkimin e të dhënave në Ontario në fillim të vitit 2020. Kështu që shanset për të "gjuajtur" përfundimisht këto grimca misterioze në vitet 20 të shekullit XNUMX po rriten.

Wimps nuk janë të vetmet kandidate për lëndën e errët që shkencëtarët kërkojnë. Në vend të kësaj, eksperimentet mund të prodhojnë grimca alternative të quajtura aksione, të cilat nuk mund të vëzhgohen drejtpërdrejt si neutrinot.

Ka shumë të ngjarë që dekada e ardhshme t'i përkasë zbulimeve që lidhen me neutrinot. Ato janë ndër grimcat më të bollshme në univers. Në të njëjtën kohë, një nga më të vështirat për t'u studiuar, sepse neutrinot ndërveprojnë shumë dobët me materien e zakonshme.

Shkencëtarët e kanë ditur prej kohësh se kjo grimcë përbëhet nga tre të ashtuquajtura shije të veçanta dhe tre gjendje të veçanta të masës - por ato nuk përputhen saktësisht me shijet, dhe secila shije është një kombinim i tre gjendjeve të masës për shkak të mekanikës kuantike. Studiuesit shpresojnë të zbulojnë kuptimin e saktë të këtyre masave dhe rendin në të cilin ato shfaqen kur kombinohen për të krijuar çdo aromë. Eksperimente të tilla si KATERINA në Gjermani, ata duhet të mbledhin të dhënat e nevojshme për të përcaktuar këto vlera në vitet e ardhshme.

3. Modeli i detektorit XENON-nT

Neutrinot kanë veti të çuditshme. Duke udhëtuar në hapësirë, për shembull, ato duket se luhaten mes shijeve. Ekspertët nga Observatori Neutrino Nëntokësor Jiangmen në Kinë, e cila pritet të fillojë mbledhjen e të dhënave për neutrinot e emetuara nga centralet bërthamore aty pranë vitin e ardhshëm.

Ekziston një projekt i këtij lloji Super-Kamiokande, Vëzhgimet në Japoni kanë vazhduar për një kohë të gjatë. SHBA ka filluar ndërtimin e vendeve të veta të testimit të neutrinos. LBNF në Illinois dhe një eksperiment me neutrinot në thellësi DUNA në Dakotën e Jugut.

Projekti LBNF/DUNE i financuar nga shumë vende, 1,5 miliardë dollarë, pritet të fillojë në vitin 2024 dhe të jetë plotësisht funksional deri në vitin 2027. Eksperimente të tjera të krijuara për të zhbllokuar sekretet e neutrinës përfshijnë Rruga, në Laboratorin Kombëtar Oak Ridge në Tenesi, dhe programi i shkurtër bazë i neutrinos, në Fermilab, Illinois.

Nga ana tjetër, në projekt Legjenda-200, I planifikuar të hapet në vitin 2021, do të studiohet një fenomen i njohur si prishja e dyfishtë beta pa neutrino. Supozohet se dy neutrone nga bërthama e një atomi kalbet në të njëjtën kohë në protone, secili prej të cilëve nxjerr një elektron dhe , bie në kontakt me një neutrino tjetër dhe asgjësohet.

Nëse një reagim i tillë do të ekzistonte, ai do të siguronte prova se neutrinot janë antimateria e tyre, duke konfirmuar indirekt një teori tjetër rreth universit të hershëm - duke shpjeguar pse ka më shumë lëndë sesa antimateria.

Fizikanët gjithashtu duan të studiojnë më në fund energjinë e errët misterioze që depërton në hapësirë ​​dhe çon në zgjerimin e universit. Spektroskopia e energjisë së errët Mjeti (DESI) filloi të funksionojë vetëm vitin e kaluar dhe pritet të lançohet në vitin 2020. Teleskopi i madh anketues sinoptik në Kili, i pilotuar nga Fondacioni Kombëtar i Shkencës/Departamenti i Energjisë, një program kërkimor i plotë duke përdorur këtë pajisje duhet të fillojë në vitin 2022.

С другой стороны (4), e cila ishte e destinuar të bëhej ngjarja e dekadës që po largohet, përfundimisht do të bëhet heroi i njëzetvjetorit. Përveç kërkimeve të planifikuara, ai do të kontribuojë në studimin e energjisë së errët duke vëzhguar galaktikat dhe fenomenet e tyre.

4. Vizualizimi i teleskopit James Webb

Çfarë do të pyesim

Në kuptimin e përbashkët, dekada e ardhshme në fizikë nuk do të jetë e suksesshme nëse dhjetë vjet nga tani ne po bëjmë të njëjtat pyetje pa përgjigje. Do të jetë shumë më mirë kur të marrim përgjigjet që duam, por edhe kur të lindin pyetje krejtësisht të reja, sepse nuk mund të llogarisim në një situatë në të cilën fizika do të thotë: "Nuk kam më pyetje", kurrë.