Jak se dostat ze slepé uličky ve fyzice?
Nová generace částicového urychlovače bude stát miliardy dolarů. V Evropě a Číně se plánuje postavit taková zařízení, ale vědci pochybují, zda to má smysl. Možná bychom měli hledat nový způsob experimentování a výzkumu, který povede k průlomu ve fyzice?
Standardní model byl opakovaně potvrzen, včetně velkého hadronového urychlovače (LHC), ale nesplňuje všechna očekávání fyziky. Nedokáže vysvětlit záhady, jako je existence temné hmoty a temné energie nebo proč je gravitace tak odlišná od jiných základních sil.
Ve vědě, která se tradičně zabývá takovými problémy, existuje způsob, jak tyto hypotézy potvrdit nebo vyvrátit. sběr dalších údajů - v tomto případě z lepších dalekohledů a mikroskopů a možná z úplně nového, ještě většího super nárazník což vytvoří šanci být objeven supersymetrické částice.
V roce 2012 oznámil Ústav fyziky vysokých energií Čínské akademie věd plán na vybudování obřího superpočítače. Plánováno Elektron-pozitronový urychlovač (CEPC) měl by obvod asi 100 km, téměř čtyřnásobek obvodu LHC (1). V reakci na to v roce 2013 oznámil provozovatel LHC, tedy CERN, svůj plán na nové kolizní zařízení tzv. Budoucí kruhový urychlovač (FCC).
1. Porovnání velikosti plánovaných urychlovačů CEPC, FCC a LHC.
Vědci a inženýři si však kladou otázku, zda tyto projekty budou stát za tu obrovskou investici. Chen-Ning Yang, nositel Nobelovy ceny za částicovou fyziku, před třemi lety na svém blogu kritizoval hledání stop supersymetrie pomocí nové supersymetrie a nazval to „hádáním“. Velmi drahý odhad. Bylo to opakováno mnoha vědci v Číně a v Evropě o projektu FCC hovořili významní představitelé vědy ve stejném duchu.
Gizmodovi to oznámila Sabine Hossenfelderová, fyzička z Institutu pro pokročilá studia ve Frankfurtu. -
Kritici projektů na vytvoření výkonnějších urychlovačů poznamenávají, že situace je jiná, než když byl postaven. V té době se vědělo, že jsme dokonce hledali Bogs Higgs. Nyní jsou cíle méně definované. A ticho ve výsledcích experimentů provedených Velkým hadronovým urychlovačem vylepšeným tak, aby vyhovoval Higgsově objevu – bez žádných průlomových zjištění od roku 2012 – je poněkud zlověstné.
Navíc je známý, ale možná ne univerzální fakt, že vše, co víme o výsledcích experimentů na LHC, pochází z analýzy pouze asi 0,003 % tehdy získaných dat. Víc jsme prostě nezvládli. Nelze vyloučit, že odpovědi na velké otázky fyziky, které nás pronásledují, jsou již v těch 99,997 %, které jsme nezvažovali. Takže možná nepotřebujete ani tak postavit další velký a drahý stroj, ale najít způsob, jak analyzovat mnohem více informací?
Stojí to za zvážení, zvláště když fyzici doufají, že z auta vymáčknou ještě víc. Dvouletá odstávka (takzvaná), která začala nedávno, udrží urychlovač neaktivní až do roku 2021, což umožní údržbu (2). Poté začne fungovat při podobných nebo poněkud vyšších energiích, než projde zásadní modernizací v roce 2023, přičemž dokončení je naplánováno na rok 2026.
Tento upgrade bude stát jednu miliardu dolarů (levné ve srovnání s plánovanými náklady FCC) a jeho cílem je vytvořit tzv. Vysoká svítivost-LHC. Do roku 2030 by to mohlo desetkrát zvýšit počet kolizí, které auto vyprodukuje za sekundu.
2. Opravné práce na LHC
bylo to neutrino
Jedna z částic, která nebyla na LHC detekována, ačkoli se to očekávalo, je rozšíření WIMP (-slabě interagující masivní částice). Jedná se o hypotetické těžké částice (od 10 GeV / s² do několika TeV / s², zatímco hmotnost protonu je o něco menší než 1 GeV / s²), které interagují s viditelnou hmotou silou srovnatelnou se slabou interakcí. Vysvětlily by záhadnou hmotu zvanou temná hmota, která je ve vesmíru pětkrát běžnější než běžná hmota.
Na LHC nebyly nalezeny žádné WIMP v těchto 0,003 % experimentálních dat. Na to však existují levnější metody – kupř. XENON-NT experiment (3), obrovská káď kapalného xenonu hluboko pod zemí v Itálii a právě se přivádí do výzkumné sítě. V další obrovské kádi xenonu, LZ v Jižní Dakotě, začne pátrání již v roce 2020.
Další experiment, sestávající ze supersenzitivních ultrachladných polovodičových detektorů, se nazývá SuperKDMS SNOLAB, začne nahrávat data do Ontaria na začátku roku 2020. Takže šance na konečné „sestřelení“ těchto záhadných částic ve 20. letech XNUMX století se zvyšuje.
Wimpi nejsou jedinými kandidáty na temnou hmotu, po kterých vědci hledají. Místo toho mohou experimenty produkovat alternativní částice zvané axiony, které nelze přímo pozorovat jako neutrina.
Je velmi pravděpodobné, že příští desetiletí bude patřit objevům souvisejícím s neutriny. Patří mezi nejhojnější částice ve vesmíru. Zároveň jeden z nejobtížnějších na studium, protože neutrina interagují s běžnou hmotou velmi slabě.
Vědci již dlouho věděli, že tato částice se skládá ze tří samostatných takzvaných příchutí a tří samostatných hmotnostních stavů – ty se však s příchutěmi přesně neshodují a každá příchuť je díky kvantové mechanice kombinací tří hmotných stavů. Vědci doufají, že zjistí přesný význam těchto mas a pořadí, ve kterém se objevují, když jsou zkombinovány za účelem vytvoření každé vůně. Experimenty jako např KATEŘINA v Německu musí v příštích letech shromažďovat údaje potřebné k určení těchto hodnot.
3. Model detektoru XENON-nT
Neutrina mají zvláštní vlastnosti. Zdá se, že například při cestování vesmírem oscilují mezi chutěmi. Odborníci z Podzemní neutrinová observatoř Jiangmen v Číně, která by měla začít sbírat data o neutrinech emitovaných z blízkých jaderných elektráren v příštím roce.
Existuje projekt tohoto typu Super-Kamiokande, pozorování v Japonsku probíhají již dlouhou dobu. USA začaly budovat svá vlastní testovací místa pro neutrina. LBNF v Illinois a experiment s neutriny v hloubce DUNA v Jižní Dakotě.
Očekává se, že projekt LBNF/DUNE financovaný z více zemí ve výši 1,5 miliardy USD bude zahájen v roce 2024 a plně funkční do roku 2027. Mezi další experimenty určené k odhalení tajemství neutrin patří AVENUE, v Oak Ridge National Laboratory v Tennessee a krátký základní neutrinový program, ve Fermilab, Illinois.
Na druhé straně v projektu Legenda-200, Otevření je naplánováno na rok 2021 a bude studován fenomén známý jako bezneutrinový dvojitý beta rozpad. Předpokládá se, že dva neutrony z jádra atomu se současně rozpadají na protony, z nichž každý vyvrhne elektron a , se dostane do kontaktu s jiným neutrinem a anihiluje.
Pokud by taková reakce existovala, poskytla by důkaz, že neutrina jsou jejich vlastní antihmotou, čímž by se nepřímo potvrdila další teorie o raném vesmíru – vysvětlující, proč existuje více hmoty než antihmoty.
Fyzici se také chtějí konečně podívat do tajemné temné energie, která prosakuje do vesmíru a způsobuje rozpínání vesmíru. Spektroskopie temné energie Nástroj (DESI) začal fungovat teprve minulý rok a očekává se, že bude spuštěn v roce 2020. Velký synoptický průzkumný dalekohled v Chile, pilotovaný National Science Foundation/Department of Energy, by měl v roce 2022 začít plnohodnotný výzkumný program využívající toto zařízení.
С другой стороны (4), který byl předurčen stát se událostí odcházejícího desetiletí, se nakonec stane hrdinou dvacátého výročí. Kromě plánovaných pátrání přispěje ke studiu temné energie pozorováním galaxií a jejich jevů.
4. Vizualizace dalekohledu Jamese Webba
Na co se budeme ptát
Podle zdravého rozumu nebude příští desetiletí ve fyzice úspěšné, pokud si za deset let budeme klást stejné nezodpovězené otázky. Mnohem lepší bude, když dostaneme odpovědi, které chceme, ale také až vyvstanou úplně nové otázky, protože nikdy nemůžeme počítat se situací, kdy fyzika řekne: „Už nemám žádné otázky“.
