Как да излезем от задънената улица във физиката?

Следващото поколение ускорител на частици ще струва милиарди долари. Има планове за изграждане на такива устройства в Европа и Китай, но учените се съмняват дали това има смисъл. Може би трябва да потърсим нов начин за експериментиране и изследване, който да доведе до пробив във физиката? 

Стандартният модел е многократно потвърждаван, включително на Големия адронен колайдер (LHC), но не отговаря на всички очаквания на физиката. Не може да обясни мистерии като съществуването на тъмна материя и тъмна енергия или защо гравитацията е толкова различна от другите фундаментални сили.

В науката, която традиционно се занимава с подобни проблеми, има начин да се потвърдят или опровергаят тези хипотези. събиране на допълнителни данни - в случая от по-добри телескопи и микроскопи, а може и от съвсем нови, още по-големи супер броня това ще създаде шанс да бъдат разкрити суперсиметрични частици.

През 2012 г. Институтът по физика на високите енергии на Китайската академия на науките обяви план за изграждане на гигантски супер брояч. Планирано Електронен позитронен колайдер (CEPC) ще има обиколка от около 100 км, почти четири пъти повече от LHC (1). В отговор през 2013 г. операторът на LHC, т.е. CERN, обяви плана си за ново устройство за сблъсък, наречено Бъдещ кръгов колайдер (FCC).

1. Сравнение на размерите на планираните CEPC, FCC и LHC ускорители.

Въпреки това учените и инженерите се чудят дали тези проекти ще си струват огромната инвестиция. Чен-Нинг Янг, носител на Нобелова награда по физика на елементарните частици, разкритикува търсенето на следи от суперсиметрия с помощта на нова суперсиметрия преди три години в своя блог, наричайки го „игра на отгатване“. Много скъпо предположение. Той беше подкрепен от много учени в Китай, а в Европа светилата на науката говореха в същия дух за проекта FCC.

Това съобщи пред Gizmodo Сабине Хосенфелдер, физик от Института за напреднали изследвания във Франкфурт. -

Критиците на проекти за създаване на по-мощни колайдери отбелязват, че ситуацията е различна от тази, когато е построен. Тогава се знаеше, че дори търсим Богс Хигс. Сега целите са по-малко дефинирани. И мълчанието в резултатите от експериментите, проведени от Големия адронен колайдер, модернизиран, за да се съобрази с откритието на Хигс – без никакви пробивни открития от 2012 г. – е донякъде зловещо.

Освен това има добре известен, но може би не универсален факт, че всичко, което знаем за резултатите от експериментите в LHC, идва от анализа само на около 0,003% от данните, получени тогава. Просто не можехме да се справим с повече. Не може да се изключи, че отговорите на великите въпроси на физиката, които ни преследват, вече са в онези 99,997%, които не сме разгледали. Така че може би ви трябва не толкова, за да построите друга голяма и скъпа машина, а да намерите начин да анализирате много повече информация?

Струва си да се помисли, особено след като физиците се надяват да изстискат още повече от машината. Двугодишен престой (т.нар.), който започна наскоро, ще запази колайдера неактивен до 2021 г., позволявайки поддръжка (2). След това той ще започне да работи при подобни или малко по-високи енергии, преди да бъде подложен на голяма модернизация през 2023 г., като завършването е планирано за 2026 г.

Този ъпгрейд ще струва един милиард долара (евтино спрямо планираната цена на FCC), а целта му е да създаде т.нар. Висока яркост-LHC. До 2030 г. това може да увеличи десетократно броя на сблъсъците, които автомобилът произвежда в секунда.

2. Ремонтни дейности на LHC

беше неутрино

Една от частиците, която не беше открита в LHC, въпреки че се очакваше да бъде, е Разширение WIMP (-слабо взаимодействащи масивни частици). Това са хипотетични тежки частици (от 10 GeV / s² до няколко TeV / s², докато масата на протона е малко по-малка от 1 GeV / s²), взаимодействащи с видимата материя със сила, сравнима със слабото взаимодействие. Те биха обяснили мистериозна маса, наречена тъмна материя, която е пет пъти по-често срещана във Вселената от обикновената материя.

В LHC не са открити WIMP в тези 0,003% от експерименталните данни. Има обаче и по-евтини методи за това – напр. XENON-NT експеримент (3), огромна чанта с течен ксенон дълбоко под земята в Италия и в процес на подаване в изследователската мрежа. В друга огромна чанта с ксенон, LZ в Южна Дакота, търсенето ще започне още през 2020 г.

Друг експеримент, състоящ се от свръхчувствителни ултрастудени полупроводникови детектори, се нарича SuperKDMS SNOLAB, ще започне да качва данни в Онтарио в началото на 2020 г. Така че шансовете най-накрая да „застрелят“ тези мистериозни частици през 20-те години на XNUMX век се увеличават.

Слабите не са единствените кандидати за тъмна материя, които учените търсят. Вместо това, експериментите могат да произведат алтернативни частици, наречени аксиони, които не могат да бъдат наблюдавани директно като неутрино.

Много вероятно е следващото десетилетие да принадлежи на открития, свързани с неутрино. Те са сред най-разпространените частици във Вселената. В същото време един от най-трудните за изследване, тъй като неутрино взаимодействат много слабо с обикновената материя.

Учените отдавна знаят, че тази частица е съставена от три отделни така наречени вкуса и три отделни масови състояния – но те не съвпадат точно с ароматите и всеки аромат е комбинация от три масови състояния, дължащи се на квантовата механика. Изследователите се надяват да разберат точното значение на тези маси и реда, в който се появяват, когато се комбинират, за да създадат всеки аромат. Експерименти като КАТРИН в Германия те трябва да съберат данните, необходими за определяне на тези стойности през следващите години.

3. Модел на детектор XENON-nT

Неутрино имат странни свойства. Пътувайки в космоса, например, те сякаш се колебаят между вкусовете. Експерти от Подземна обсерватория за неутрини Jiangmen в Китай, който се очаква да започне да събира данни за неутрино, излъчени от близките атомни електроцентрали през следващата година.

Има проект от този тип Супер Камиоканде, наблюденията в Япония продължават от доста време. САЩ започнаха да строят свои собствени тестови площадки за неутрино. LBNF в Илинойс и експеримент с неутрино на дълбочина ДУНА в Южна Дакота.

Проектът LBNF/DUNE, финансиран от няколко държави на стойност 1,5 милиарда долара, се очаква да започне през 2024 г. и да започне да функционира напълно до 2027 г. Други експерименти, предназначени да отключат тайните на неутриното, включват AVENUE, в Националната лаборатория Оук Ридж в Тенеси, и кратка базова програма за неутрино, във Фермилаб, Илинойс.

На свой ред в проекта Легенда-200, Предвидено да бъде открито през 2021 г., ще бъде изследвано явление, известно като двоен бета разпад без неутрино. Предполага се, че два неутрона от ядрото на атома едновременно се разпадат на протони, всеки от които изхвърля електрон и , влиза в контакт с друго неутрино и анихилира.

Ако такава реакция съществуваше, това би предоставило доказателство, че неутрино са тяхната собствена антиматерия, косвено потвърждавайки друга теория за ранната Вселена - обясняваща защо има повече материя от антиматерия.

Физиците също искат най-накрая да проучат мистериозната тъмна енергия, която прониква в космоса и води до разширяването на Вселената. Тъмна енергийна спектроскопия Инструментът (DESI) започна да работи едва миналата година и се очаква да бъде пуснат през 2020 г. Голям синоптичен обзорен телескоп в Чили, пилотирана от Националната научна фондация/Министерството по енергетика, пълноценна изследователска програма, използваща това оборудване, трябва да започне през 2022 г.

От друга страна (4), който беше предопределен да се превърне в събитие на изминалото десетилетие, в крайна сметка ще се превърне в герой на двадесетата годишнина. В допълнение към планираните търсения, той ще допринесе за изучаването на тъмната енергия чрез наблюдение на галактики и техните явления.

4. Визуализация на телескопа Джеймс Уеб

Какво ще питаме

По здрав разум следващото десетилетие във физиката няма да бъде успешно, ако след десет години задаваме същите въпроси без отговор. Ще бъде много по-добре, когато получим отговорите, които искаме, но и когато възникнат напълно нови въпроси, защото не можем да разчитаме на ситуация, в която физиката ще каже: „Нямам повече въпроси“, никога.