Hvernig á að komast út úr öngþveitinu í eðlisfræði?
Næsta kynslóð agnasprengja mun kosta milljarða dollara. Áætlanir eru uppi um að smíða slík tæki í Evrópu og Kína, en vísindamenn spyrja hvort það sé skynsamlegt. Kannski ættum við að leita að nýrri leið til tilrauna og rannsókna sem mun leiða til byltingar í eðlisfræði?
Staðlaða líkanið hefur ítrekað verið staðfest, þar á meðal hjá Large Hadron Collider (LHC), en það stenst ekki allar væntingar eðlisfræðinnar. Það getur ekki útskýrt leyndardóma eins og tilvist hulduefnis og myrkraorku, eða hvers vegna þyngdarafl er svo ólíkt öðrum grundvallaröflum.
Í vísindum, sem jafnan fást við slík vandamál, er leið til að staðfesta eða hrekja þessar tilgátur. söfnun viðbótargagna - í þessu tilviki, úr betri sjónaukum og smásjáum, og kannski úr alveg nýjum, jafnvel stærri frábær stuðari sem mun skapa tækifæri til að verða uppgötvaður ofursamhverfar agnir.
Árið 2012 tilkynnti Institute of High Energy Physics of the Chinese Academy of Sciences áætlun um að byggja risastóran ofurteljara. Planað Electron Positron Collider (CEPC) það myndi hafa ummál um 100 km, næstum fjórfalt það sem LHC (1). Til að bregðast við, árið 2013, tilkynnti rekstraraðili LHC, þ.e. CERN, áætlun sína um nýtt árekstrartæki sem kallast Future Circular Collider (FCC).
1. Stærðarsamanburður á fyrirhuguðum CEPC, FCC og LHC hröðlum.
Vísindamenn og verkfræðingar velta því hins vegar fyrir sér hvort þessar framkvæmdir muni borga sig fyrir mikla fjárfestingu. Chen-Ning Yang, Nóbelsverðlaunahafi í eðlisfræði agna, gagnrýndi leitina að ummerkjum ofursamhverfu með nýrri ofursamhverfu fyrir þremur árum á bloggi sínu og kallaði það „giskaleik“. Mjög dýr tilgáta. Hann var endurómaður af mörgum vísindamönnum í Kína og í Evrópu töluðu ljósamenn vísindanna í sama anda um FCC verkefnið.
Þetta var tilkynnt til Gizmodo af Sabine Hossenfelder, eðlisfræðingi við Institute for Advanced Study í Frankfurt. -
Gagnrýnendur verkefna til að búa til öflugri árekstra taka fram að ástandið er öðruvísi en þegar það var byggt. Það var vitað á þeim tíma að við vorum jafnvel að leita að Bogs Higgs. Nú eru markmiðin minna skilgreind. Og þögnin í niðurstöðum tilrauna sem gerð var af Large Hadron Collider sem var uppfærð til að koma til móts við Higgs uppgötvunina - án byltingarfundar síðan 2012 - er nokkuð ógnvekjandi.
Auk þess er það þekkt, en kannski ekki algilt, staðreynd allt sem við vitum um niðurstöður tilrauna á LHC kemur frá greiningu á aðeins um 0,003% af þeim gögnum sem þá fengust. Við réðum bara ekki við meira. Það er ekki hægt að útiloka að svörin við þeim stóru spurningum eðlisfræðinnar sem ásækja okkur séu nú þegar í 99,997% sem við höfum ekki hugleitt. Svo kannski þarftu ekki svo mikið til að smíða aðra stóra og dýra vél, heldur til að finna leið til að greina miklu meiri upplýsingar?
Það er umhugsunarvert, sérstaklega þar sem eðlisfræðingar vonast til að kreista enn meira út úr bílnum. Tveggja ára stöðvunartími (svokallaður) sem hófst nýlega mun halda árekstrinum óvirkum til ársins 2021, sem gerir kleift að viðhalda (2). Það mun síðan byrja að starfa við svipaða eða nokkuð hærri orku, áður en það fer í meiriháttar uppfærslu árið 2023, með verklok áætluð árið 2026.
Þessi nútímavæðing mun kosta einn milljarð dollara (ódýr miðað við fyrirhugaðan kostnað við FCC), og markmið hennar er að búa til svokallaða. Hár birtustig-LHC. Árið 2030 gæti þetta tífaldað fjölda árekstra sem bíll framkallar á sekúndu.
2. Viðgerðarvinna á LHC
það var neutrino
Ein af þeim ögnum sem ekki fannst við LHC, þó að búist væri við að það væri, er WIMP viðbót (-veikt víxlverkandi massífar agnir). Þetta eru ímyndaðar þungar agnir (frá 10 GeV / s² til nokkur TeV / s², á meðan róteindamassi er aðeins minni en 1 GeV / s²) sem hafa samskipti við sýnilegt efni með krafti sem er sambærilegur við veika víxlverkunina. Þeir myndu útskýra dularfullan massa sem kallast hulduefni, sem er fimm sinnum algengara í alheiminum en venjulegt efni.
Í LHC fundust engin WIMPs í þessum 0,003% tilraunagagnanna. Hins vegar eru til ódýrari aðferðir við þetta - td. XENON-NT tilraun (3), risastórt kar af fljótandi xenoni djúpt neðanjarðar á Ítalíu og er verið að gefa það inn í rannsóknarnetið. Í öðru risastóru kari af xenon, LZ í Suður-Dakóta, mun leitin hefjast strax árið 2020.
Önnur tilraun, sem samanstendur af ofurnæmum ofurkaldum hálfleiðara skynjara, er kölluð SuperKDMS SNOLAB, mun byrja að hlaða upp gögnum til Ontario í byrjun árs 2020. Þannig að líkurnar á að loksins „skjóta“ þessar dularfullu agnir á 20. áratugnum á XNUMX.
Wimps eru ekki einu hulduefnisframbjóðendurnir sem vísindamenn sækjast eftir. Þess í stað geta tilraunir framleitt aðrar agnir sem kallast axions sem ekki er hægt að sjá beint eins og nitrinó.
Það er mjög líklegt að næsti áratugur muni tilheyra uppgötvunum sem tengjast nifteindum. Þær eru meðal algengustu agnanna í alheiminum. Á sama tíma, einn af þeim erfiðustu að rannsaka, vegna þess að nifteindir hafa mjög veik samskipti við venjulegt efni.
Vísindamenn hafa lengi vitað að þessi ögn er gerð úr þremur aðskildum svokölluðum bragðtegundum og þremur aðskildum massaástandi - en þau passa ekki nákvæmlega við bragðefni og hvert bragð er sambland af þremur massaástandum vegna skammtafræðinnar. Rannsakendur vonast til að komast að nákvæmri merkingu þessara massa og í hvaða röð þeir birtast þegar þeir eru sameinaðir til að búa til hvern ilm. Tilraunir eins og KATHERÍN í Þýskalandi verða þeir að safna nauðsynlegum gögnum til að ákvarða þessi gildi á næstu árum.
3. XENON-nT skynjari líkan
Neutrinos hafa undarlega eiginleika. Þegar þeir ferðast um geiminn virðast þeir til dæmis sveiflast á milli bragða. Sérfræðingar frá Jiangmen neðanjarðar nifteindarstjörnustöð í Kína, sem er gert ráð fyrir að hefja söfnun gagna um nifteindir sem losna frá nærliggjandi kjarnorkuverum á næsta ári.
Það er verkefni af þessu tagi Super-Kamiokande, athuganir í Japan hafa staðið yfir í langan tíma. Bandaríkin eru byrjuð að byggja upp eigin nitrino prófunarstað. LBNF í Illinois og tilraun með neutrino á dýpi DUNE í Suður-Dakóta.
Gert er ráð fyrir að LBNF/DUNE verkefnið, sem styrkt er af mörgum löndum, 1,5 milljarða dala, hefjist árið 2024 og verði að fullu komið í notkun árið 2027. Aðrar tilraunir sem ætlað er að opna leyndarmál nifteindanna eru ma AVENUE, við Oak Ridge National Laboratory í Tennessee, og stutt grunnlínu neutrino program, í Fermilab, Illinois.
Aftur á móti í verkefninu Legend-200, Áætlað er að opna árið 2021 og verður rannsakað fyrirbæri sem kallast tvöföld beta rotnun án nifteinda. Gert er ráð fyrir að tvær nifteindir úr kjarna atóms eyðist samtímis í róteindir sem hver um sig kastar út rafeind og , kemst í snertingu við annað neutrino og tortímir.
Ef slík viðbrögð væru til, myndi það gefa vísbendingar um að nifteindir séu þeirra eigin andefni, sem óbeint staðfestir aðra kenningu um alheiminn snemma - útskýrir hvers vegna það er meira efni en andefni.
Eðlisfræðingar vilja líka loksins skoða hina dularfullu myrku orku sem seytlar út í geiminn og fær alheiminn til að þenjast út. Myrkraorkulitrófsgreining Tólið (DESI) byrjaði aðeins að virka á síðasta ári og er gert ráð fyrir að það verði sett á markað árið 2020. Stór Synoptic Survey Telescope í Chile, sem National Science Foundation/Department of Energy stýrði, ætti fullgild rannsóknaráætlun sem notar þennan búnað að hefjast árið 2022.
С другой стороны (4), sem átti að verða viðburður síðasta áratugarins, mun að lokum verða hetja tuttugu ára afmælisins. Auk fyrirhugaðra leita mun það stuðla að rannsóknum á myrkri orku með því að fylgjast með vetrarbrautum og fyrirbærum þeirra.
4. Sjónmynd af James Webb sjónaukanum
Hvað ætlum við að spyrja
Í heilbrigðri skynsemi mun næsti áratugur í eðlisfræði ekki skila árangri ef við spyrjum sömu spurninganna eftir tíu ár. Það verður miklu betra þegar við fáum þau svör sem við viljum, en líka þegar alveg nýjar spurningar vakna, því við getum ekki treyst því að eðlisfræðin segi: "Ég hef engar fleiri spurningar," alltaf.
