Hogyan lehet kijutni a fizika zsákutcájából?

A következő generációs részecskeütköztető több milliárd dollárba kerül. Európában és Kínában is terveznek ilyen eszközöket, de a tudósok megkérdőjelezik, hogy ennek van-e értelme. Talán új kísérletezési és kutatási módot kellene keresnünk, amely áttöréshez vezet a fizikában? 

A szabványos modellt többször is megerősítették, többek között a Large Hadron Colliderben (LHC), de nem felel meg a fizika minden elvárásának. Nem tud megmagyarázni olyan rejtélyeket, mint a sötét anyag és a sötét energia létezése, vagy hogy a gravitáció miért különbözik annyira más alapvető erőktől.

Az ilyen problémákkal hagyományosan foglalkozó tudományban van mód ezeknek a hipotéziseknek a megerősítésére vagy cáfolatára. további adatok gyűjtése - jelen esetben jobb teleszkópokból és mikroszkópokból, és esetleg teljesen újból, még nagyobbból szuper lökhárító ami lehetőséget teremt a felfedezésre szuperszimmetrikus részecskék.

2012-ben a Kínai Tudományos Akadémia Nagyenergiájú Fizikai Intézete bejelentette egy óriási szuperszámláló építésének tervét. Tervezett Elektronpozitronütköztető (CEPC) kerülete körülbelül 100 km lenne, majdnem négyszer akkora, mint az LHC (1). Erre válaszul 2013-ban az LHC üzemeltetője, azaz a CERN bejelentette tervét egy új ütközőeszköz ún. Future Circular Collider (FCC).

1. A tervezett CEPC, FCC és LHC gyorsítók méret-összehasonlítása.

A tudósok és mérnökök azonban kíváncsiak, hogy ezek a projektek megérik-e a hatalmas befektetést. Chen-Ning Yang, a részecskefizikai Nobel-díjas három évvel ezelőtt a blogjában kritizálta a szuperszimmetria nyomainak kutatását az új szuperszimmetria segítségével, és ezt "találójátéknak" nevezte. Nagyon drága tipp. Kínában sok tudós visszhangozta őt, és Európában a tudomány fényesei ugyanebben a szellemben beszéltek az FCC-projektről.

Erről Sabine Hossenfelder, a frankfurti Institute for Advanced Study fizikusa számolt be a Gizmodónak. -

A nagyobb teljesítményű ütköztetők létrehozására irányuló projektek kritikusai megjegyzik, hogy a helyzet más, mint amikor megépítették. Akkoriban lehetett tudni, hogy még keresünk is Bogs Higgs. Most már kevésbé meghatározottak a célok. A Higgs-felfedezéshez továbbfejlesztett Large Hadron Collider által végzett kísérletek eredményeinek csendje pedig – 2012 óta nem érkezett átütő eredmény – némileg baljóslatú.

Emellett van egy jól ismert, de talán nem általános tény, hogy mindaz, amit az LHC-n végzett kísérletek eredményeiről tudunk, az akkor kapott adatoknak csak körülbelül 0,003%-ának elemzéséből származik. Egyszerűen nem bírtunk többet. Nem zárható ki, hogy a fizika minket kísértő nagy kérdéseire a válaszok már abban a 99,997%-ban vannak, amelyeket nem vettünk figyelembe. Tehát lehet, hogy nem annyira egy másik nagy és drága gépet kell építenie, hanem sokkal több információ elemzésének módját kell megtalálnia?

Érdemes megfontolni, főleg, hogy a fizikusok azt remélik, hogy még többet tudnak kipréselni a gépből. A közelmúltban kezdődött kétéves leállás (ún.) 2021-ig inaktív állapotban tartja az ütközőt, lehetővé téve a karbantartást (2). Ezután hasonló vagy valamivel magasabb energiával kezdi meg működését, mielőtt 2023-ban jelentős fejlesztésen esne át, és 2026-ra fejeződik be.

Ez a frissítés egymilliárd dollárba kerül (az FCC tervezett költségéhez képest olcsón), célja pedig egy ún. High Luminosity-LHC. 2030-ra ez megtízszerezheti az ütközések számát, amelyeket egy autó másodpercenként produkál.

2. Javítási munkák az LHC-n

neutrínó volt

Az egyik olyan részecske, amelyet nem észleltek az LHC-n, bár ez várható volt, az nyúlbéla (-gyengén kölcsönható masszív részecskék). Ezek hipotetikus nehéz részecskék (10 GeV / s²-től több TeV / s²-ig, míg a proton tömege valamivel kisebb, mint 1 GeV / s²), amelyek a látható anyaggal a gyenge kölcsönhatáshoz hasonló erővel lépnek kölcsönhatásba. Megmagyaráznák a sötét anyagnak nevezett titokzatos tömeget, amely ötször gyakoribb a világegyetemben, mint a közönséges anyag.

Az LHC-n a kísérleti adatok 0,003%-ában nem találtak WIMP-t. Erre azonban vannak olcsóbb módszerek – pl. XENON-NT kísérlet (3), egy hatalmas tartály folyékony xenonnal mélyen a föld alatt Olaszországban, és folyamatban van a kutatóhálózatba való betáplálása. Egy másik hatalmas xenontartályban, a dél-dakotai LZ-ben a keresés már 2020-ban megkezdődik.

Egy másik kísérletet, amely szuperérzékeny ultrahideg félvezető detektorokból áll, az úgynevezett SuperKDMS SNOLAB, 2020 elején megkezdi az adatok feltöltését Ontarióba. Így egyre nagyobb az esélye annak, hogy végre „lelövik” ezeket a titokzatos részecskéket a 20. század XNUMX-as éveiben.

A tudósok nem az egyetlen sötét anyag-jelöltek közé tartoznak a bolondok. Ehelyett a kísérletek olyan alternatív részecskéket állíthatnak elő, amelyeket axionoknak neveznek, amelyeket nem lehet közvetlenül megfigyelni, mint a neutrínókat.

Nagyon valószínű, hogy a következő évtized a neutrínókkal kapcsolatos felfedezéseké lesz. Az univerzumban a legnagyobb mennyiségben előforduló részecskék közé tartoznak. Ugyanakkor az egyik legnehezebben tanulmányozható, mivel a neutrínók nagyon gyengén lépnek kölcsönhatásba a közönséges anyaggal.

A tudósok régóta tudják, hogy ez a részecske három különálló úgynevezett ízből és három különálló tömegállapotból áll – de ezek nem pontosan egyeznek az ízekkel, és mindegyik íz három tömegállapot kombinációja a kvantummechanika miatt. A kutatók azt remélik, hogy kiderítik ezeknek a tömegeknek a pontos jelentését és megjelenési sorrendjét, amikor egyesítik az egyes illatokat. Kísérletek, mint pl KATHERINE Németországban az elkövetkező években össze kell gyűjteniük az értékek meghatározásához szükséges adatokat.

3. XENON-nT detektor modell

A neutrínók furcsa tulajdonságokkal rendelkeznek. Az űrben utazva például úgy tűnik, hogy ingadoznak az ízek között. Szakértők a Jiangmen Földalatti Neutrinó Obszervatórium Kínában, amely várhatóan jövőre kezdi meg az adatgyűjtést a közeli atomerőművekből kibocsátott neutrínókról.

Van egy ilyen típusú projekt Szuper Kamiokande, Japánban már régóta folynak megfigyelések. Az Egyesült Államok megkezdte saját neutrínó-teszthelyeinek építését. LBNF Illinoisban és egy mélységi neutrínókkal végzett kísérlet DŰNE Dél-Dakotában.

Az 1,5 milliárd dolláros, több ország által finanszírozott LBNF/DUNE projekt várhatóan 2024-ben indul, és 2027-re teljes mértékben működőképes lesz. A neutrínó titkainak feltárására tervezett egyéb kísérletek közé tartozik SUGÁRÚT, az Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumban Tennessee-ben, és rövid alapvonali neutrínó program, az Illinois állambeli Fermilabban.

Viszont a projektben Legend-200, A tervek szerint 2021-ben nyitják meg a neutrínó nélküli kettős béta-bomlásként ismert jelenséget. Feltételezzük, hogy az atommagból két neutron egyidejűleg bomlik protonokká, amelyek mindegyike egy-egy elektront lövell ki. , érintkezésbe kerül egy másik neutrínóval és megsemmisül.

Ha létezne ilyen reakció, az bizonyítékot szolgáltatna arra, hogy a neutrínók saját antianyaguk, közvetve megerősítve egy másik elméletet a korai univerzumról – megmagyarázva, miért több az anyag, mint az antianyag.

A fizikusok végre bele akarnak nézni abba a titokzatos sötét energiába is, amely az űrbe szivárog, és az univerzum tágulását okozza. Sötétenergia spektroszkópia Az eszköz (DESI) csak tavaly kezdett el működni, és várhatóan 2020-ban kerül forgalomba. Nagy szinoptikus távcső Chilében, a National Science Foundation/Department of Energy kísérleti jelleggel, 2022-ben el kell kezdődnie egy teljes értékű kutatási programnak, amely ezt a berendezést használja.

A másik oldalon (4), amelyet a leköszönő évtized eseményévé szántak, végül a huszadik évforduló hőse lesz. A tervezett kutatások mellett galaxisok és jelenségeik megfigyelésével járul hozzá a sötét energia kutatásához.

4. A James Webb teleszkóp megjelenítése

Mit fogunk kérdezni

Józan ész szerint a következő évtized a fizikában nem lesz sikeres, ha tíz év múlva ugyanazokat a megválaszolatlan kérdéseket tesszük fel. Sokkal jobb lesz, ha megkapjuk a kívánt válaszokat, de akkor is, ha teljesen új kérdések merülnek fel, mert nem számíthatunk olyan helyzetekre, amikor a fizika azt mondja, hogy "nincs több kérdésem".