Bagaimana untuk keluar dari kebuntuan dalam fizik?
Pelanggar zarah generasi akan datang akan menelan belanja berbilion dolar. Terdapat rancangan untuk membina peranti sedemikian di Eropah dan China, tetapi saintis mempersoalkan sama ada ini masuk akal. Mungkin kita harus mencari cara baru untuk bereksperimen dan penyelidikan yang akan membawa kepada kejayaan dalam fizik?
Model Standard telah berulang kali disahkan, termasuk di Large Hadron Collider (LHC), tetapi ia tidak memenuhi semua jangkaan fizik. Ia tidak dapat menjelaskan misteri seperti kewujudan jirim gelap dan tenaga gelap, atau mengapa graviti sangat berbeza daripada kuasa asas yang lain.
Dalam sains secara tradisional menangani masalah sedemikian, terdapat cara untuk mengesahkan atau menyangkal hipotesis ini. pengumpulan data tambahan - dalam kes ini, dari teleskop dan mikroskop yang lebih baik, dan mungkin dari yang benar-benar baru, bahkan lebih besar bampar super yang akan mewujudkan peluang untuk ditemui zarah supersimetri.
Pada tahun 2012, Institut Fizik Tenaga Tinggi Akademi Sains China mengumumkan rancangan untuk membina kaunter super gergasi. Terancang Electron Positron Collider (CEPC) ia akan mempunyai lilitan kira-kira 100 km, hampir empat kali ganda daripada LHC (1). Sebagai tindak balas, pada tahun 2013, pengendali LHC, iaitu CERN, mengumumkan rancangannya untuk peranti perlanggaran baharu yang dipanggil Pelanggar Pekeliling Masa Depan (FCC).
1. Perbandingan saiz pemecut CEPC, FCC dan LHC yang dirancang.
Walau bagaimanapun, saintis dan jurutera tertanya-tanya sama ada projek ini akan bernilai pelaburan yang besar. Chen-Ning Yang, pemenang Hadiah Nobel dalam fizik zarah, mengkritik pencarian jejak supersimetri menggunakan supersimetri baru tiga tahun lalu di blognya, memanggilnya sebagai "permainan meneka." Satu tekaan yang sangat mahal. Dia digemakan oleh ramai saintis di China, dan di Eropah, tokoh sains bercakap dalam semangat yang sama tentang projek FCC.
Ini telah dilaporkan kepada Gizmodo oleh Sabine Hossenfelder, seorang ahli fizik di Institut Kajian Lanjutan di Frankfurt. -
Pengkritik projek untuk mencipta pelanggar yang lebih berkuasa ambil perhatian bahawa keadaan berbeza daripada semasa ia dibina. Pada masa itu diketahui bahawa kami sedang mencari Bogs Higgs. Sekarang matlamat kurang jelas. Dan kesunyian dalam hasil eksperimen yang dijalankan oleh Large Hadron Collider yang dinaik taraf untuk menampung penemuan Higgs - tanpa penemuan penemuan sejak 2012 - agak tidak menyenangkan.
Di samping itu, terdapat fakta yang terkenal, tetapi mungkin tidak universal semua yang kita tahu tentang keputusan eksperimen di LHC datang daripada analisis hanya kira-kira 0,003% daripada data yang diperolehi ketika itu. Kami hanya tidak dapat menangani lebih banyak lagi. Tidak dapat dinafikan bahawa jawapan kepada soalan-soalan besar fizik yang menghantui kita sudahpun berada dalam 99,997% yang belum kita pertimbangkan. Jadi mungkin anda tidak memerlukan banyak untuk membina satu lagi mesin yang besar dan mahal, tetapi untuk mencari cara untuk menganalisis lebih banyak maklumat?
Ia patut dipertimbangkan, terutamanya kerana ahli fizik berharap untuk memerah lebih banyak lagi daripada kereta. Masa henti selama dua tahun (kononnya) yang bermula baru-baru ini akan memastikan collider tidak aktif sehingga 2021, membolehkan penyelenggaraan (2). Ia kemudiannya akan mula beroperasi pada tenaga yang serupa atau agak lebih tinggi, sebelum menjalani peningkatan besar pada 2023, dengan penyiapan dijadualkan pada 2026.
Pemodenan ini akan menelan kos satu bilion dolar (murah berbanding kos yang dirancang untuk FCC), dan matlamatnya adalah untuk mencipta apa yang dipanggil. Luminosity Tinggi-LHC. Menjelang 2030, ini boleh meningkatkan sepuluh kali ganda bilangan perlanggaran yang dihasilkan oleh kereta sesaat.
2. Kerja pembaikan pada LHC
ia adalah neutrino
Salah satu zarah yang tidak dikesan di LHC, walaupun dijangka, adalah WIMP (-zarah besar yang berinteraksi lemah). Ini adalah zarah berat hipotesis (dari 10 GeV / s² hingga beberapa TeV / s², manakala jisim proton kurang sedikit daripada 1 GeV / s²) berinteraksi dengan jirim kelihatan dengan daya yang setanding dengan interaksi lemah. Mereka akan menerangkan jisim misteri yang dipanggil jirim gelap, yang lima kali lebih biasa di alam semesta daripada jirim biasa.
Di LHC, tiada WIMP ditemui dalam 0,003% data eksperimen ini. Walau bagaimanapun, terdapat kaedah yang lebih murah untuk ini - sebagai contoh. Percubaan XENON-NT (3), tong besar xenon cecair jauh di bawah tanah di Itali dan dalam proses dimasukkan ke dalam rangkaian penyelidikan. Dalam tong besar xenon lain, LZ di South Dakota, pencarian akan bermula seawal 2020.
Satu lagi eksperimen, yang terdiri daripada pengesan semikonduktor ultrasejuk supersensitif, dipanggil SuperKDMS SNOLAB, akan mula memuat naik data ke Ontario pada awal 2020. Jadi peluang akhirnya "menembak" zarah misteri ini pada 20-an abad ke-XNUMX semakin meningkat.
Wimps bukan satu-satunya calon perkara gelap yang dicari oleh saintis. Sebaliknya, eksperimen boleh menghasilkan zarah alternatif yang dipanggil axions yang tidak boleh diperhatikan secara langsung seperti neutrino.
Kemungkinan besar dekad yang akan datang akan tergolong dalam penemuan yang berkaitan dengan neutrino. Mereka adalah antara zarah yang paling biasa di alam semesta. Pada masa yang sama, salah satu yang paling sukar untuk dipelajari, kerana neutrino berinteraksi dengan sangat lemah dengan bahan biasa.
Para saintis telah lama mengetahui bahawa zarah ini terdiri daripada tiga perisa yang dipanggil berasingan dan tiga keadaan jisim berasingan - tetapi ia tidak betul-betul sepadan dengan perisa, dan setiap perisa adalah gabungan tiga keadaan jisim disebabkan oleh mekanik kuantum. Para penyelidik berharap untuk mengetahui makna sebenar jisim ini dan susunan ia muncul apabila ia digabungkan untuk mencipta setiap wangian. Eksperimen seperti KATHERINE di Jerman, mereka mesti mengumpul data yang diperlukan untuk menentukan nilai ini pada tahun-tahun akan datang.
3. Model pengesan XENON-nT
Neutrino mempunyai sifat pelik. Mengembara di angkasa, sebagai contoh, mereka kelihatan berayun antara cita rasa. Pakar dari Balai Cerap Neutrino Bawah Tanah Jiangmen di China, yang dijangka mula mengumpul data mengenai neutrino yang dipancarkan daripada loji kuasa nuklear berhampiran tahun depan.
Terdapat projek jenis ini Super Kamiokande, pemerhatian di Jepun telah berlaku sejak sekian lama. AS telah mula membina tapak ujian neutrino sendiri. LBNF di Illinois dan eksperimen dengan neutrino secara mendalam DUNE di South Dakota.
Projek LBNF/DUNE yang dibiayai pelbagai negara bernilai $1,5 bilion dijangka bermula pada 2024 dan beroperasi sepenuhnya menjelang 2027. Eksperimen lain yang direka untuk membuka kunci rahsia neutrino termasuk LORONG, di Makmal Kebangsaan Oak Ridge di Tennessee, dan program neutrino garis dasar pendek, dalam Fermilab, Illinois.
Sebaliknya, dalam projek itu Lagenda-200, Dijadualkan untuk dibuka pada 2021, fenomena yang dikenali sebagai pereputan beta berganda tanpa neutrino akan dikaji. Diandaikan bahawa dua neutron daripada nukleus atom secara serentak mereput menjadi proton, setiap satunya mengeluarkan elektron dan , bersentuhan dengan neutrino lain dan musnah.
Jika tindak balas sedemikian wujud, ia akan memberikan bukti bahawa neutrino adalah antijirim mereka sendiri, secara tidak langsung mengesahkan teori lain tentang alam semesta awal - menjelaskan mengapa terdapat lebih banyak jirim daripada antijirim.
Ahli fizik juga akhirnya ingin melihat ke dalam tenaga gelap misteri yang meresap ke angkasa dan menyebabkan alam semesta mengembang. Spektroskopi tenaga gelap Alat (DESI) hanya mula berfungsi tahun lepas dan dijangka dilancarkan pada 2020. Teleskop Tinjauan Sinoptik Besar di Chile, dipandu oleh Yayasan Sains Kebangsaan/Jabatan Tenaga, program penyelidikan lengkap menggunakan peralatan ini akan bermula pada 2022.
Di sebelah sana (4), yang ditakdirkan untuk menjadi acara dekad yang akan datang, akhirnya akan menjadi wira ulang tahun kedua puluh. Sebagai tambahan kepada carian yang dirancang, ia akan menyumbang kepada kajian tenaga gelap dengan memerhati galaksi dan fenomenanya.
4. Visualisasi Teleskop James Webb
Apa yang kita nak tanya
Dalam pengertian biasa, dekad seterusnya dalam fizik tidak akan berjaya jika sepuluh tahun dari sekarang kita bertanya soalan yang sama yang tidak terjawab. Ia akan menjadi lebih baik apabila kita mendapat jawapan yang kita mahukan, tetapi juga apabila soalan yang sama sekali baru timbul, kerana kita tidak boleh bergantung pada situasi di mana fizik akan berkata, "Saya tidak mempunyai soalan lagi," pernah.
