Hvordan kommer man ud af dødvandet i fysik?

Den næste generation af partikelkolliderer vil koste milliarder af dollars. Der er planer om at bygge sådanne enheder i Europa og Kina, men videnskabsmænd tvivler på, om det giver mening. Måske må vi hellere lede efter en ny måde at eksperimentere og forske på, der vil føre til et gennembrud i fysikken? 

Standardmodellen er blevet bekræftet mange gange, blandt andet ved Large Hadron Collider (LHC), men den lever ikke op til alle fysikkens forventninger. Det kan ikke forklare mysterier som eksistensen af ​​mørkt stof og mørk energi eller hvorfor tyngdekraften er så forskellig fra andre fundamentale kræfter.

I videnskaben, som traditionelt beskæftiger sig med sådanne problemer, er der en måde at bekræfte eller afkræfte disse hypoteser på. indsamling af yderligere data - i dette tilfælde fra bedre teleskoper og mikroskoper, og måske fra et helt nyt, endnu større super kofanger hvilket vil skabe en chance for at blive opdaget supersymmetriske partikler.

I 2012 annoncerede Institute of High Energy Physics ved det kinesiske videnskabsakademi en plan om at bygge en gigantisk supertæller. Planlagt Elektron Positron Collider (CEPC) den ville have en omkreds på omkring 100 km, næsten fire gange større end LHC (1). Som svar annoncerede operatøren af ​​LHC, dvs. CERN, i 2013 sin plan om at skabe en ny kollisionsenhed kaldet Future Circular Collider (FCC).

1. Sammenligning af størrelserne på de planlagte acceleratorer CEPC, FCC og LHC.

Forskere og ingeniører spekulerer dog på, om disse projekter vil være den enorme investering værd. Chen-Ning Yang, en nobelprisvinder i partikelfysik, kritiserede søgen efter spor af supersymmetri ved hjælp af ny supersymmetri i et blogindlæg for tre år siden og kaldte det et "gætteleg". Et meget dyrt gæt. Han blev gentaget af mange videnskabsmænd i Kina, og i Europa talte videnskabelige koryfæer i samme ånd om FCC-projektet.

Dette blev rapporteret til Gizmodo af Sabine Hossenfelder, en fysiker ved Institute for Advanced Study i Frankfurt. -

Kritikere af projekter til at bygge mere kraftfulde kollidere bemærker, at situationen er anderledes end da den blev bygget. På det tidspunkt var det kendt, at vi selv søgte Higgs-bosonen. Nu er målene mindre definerede. Og tavsheden i resultaterne af eksperimenter udført af Large Hadron Collider, opgraderet til Higgs-fundet - når der ikke er dukket en eneste banebrydende opdagelse op siden 2012 - er noget ildevarslende.

Derudover er der et velkendt, men måske ikke alle, faktum, at alt, hvad vi ved om resultaterne af LHC-eksperimenterne, kommer fra kun at analysere omkring 0,003 % af de data, der blev opnået dengang. Vi kunne bare ikke klare mere. Det kan ikke udelukkes, at svarene på fysikkens store spørgsmål, der hjemsøger os, allerede er inkluderet i de 99,997 %, som vi ikke har overvejet. Så måske er det, du har brug for, ikke så meget at bygge endnu en stor, dyr maskine, men snarere at finde en måde at analysere meget mere information på?

Det er værd at overveje, især da fysikere håber at presse endnu mere ud af maskinen. Den to-årige nedetid (såkaldt), der begyndte for nylig, vil holde kollideren inaktiv indtil 2021, hvilket giver mulighed for vedligeholdelse (2). Det vil derefter begynde at operere ved lignende eller lidt højere energier, før det gennemgår en større opgradering i 2023, med færdiggørelse planlagt til 2026.

Denne modernisering vil koste en milliard dollars (billig i forhold til de planlagte omkostninger for FKK), og dens mål er at skabe den såkaldte. Høj lysstyrke-LHC. I 2030 kan dette øge antallet af kollisioner, en bil laver i sekundet, med ti gange.

2. Reparationsarbejde på LHC

det var en neutrino

En af de partikler, der ikke blev opdaget ved LHC, selvom man håbede på, er WIMP udvidelse (- svagt interagerende massive partikler). Disse er hypotetiske tunge partikler (fra 10 GeV/s² til flere TeV/s², med en protons masse lidt mindre end 1 GeV/s²), der interagerer med synligt stof med en kraft, der kan sammenlignes med den svage interaktion. De ville forklare den mystiske mystiske masse kaldet mørkt stof, som er fem gange mere almindeligt i universet end almindeligt stof.

Ved LHC blev der ikke fundet WIMP'er i disse 0,003% af de eksperimentelle data. Der findes dog billigere metoder til dette – f.eks. XENON-nT eksperiment (3), et enormt kar af flydende xenon dybt under jorden i Italien og i færd med at blive fodret ind i et forskningsnetværk. I en anden enorm kar af xenon, LZ i South Dakota, vil eftersøgningen begynde i 2020.

Et andet eksperiment, bestående af ultrafølsomme ultrakolde halvlederdetektorer, kaldes SuperKDMS SNOLAB, begynder at downloade data i Ontario i begyndelsen af ​​2020. Så chancerne for endelig at "fange" disse mystiske partikler i 20'erne er stigende.

Vimpe er ikke de eneste mørkt stof-kandidater, som videnskabsmænd er på jagt efter. I stedet kan eksperimenter producere alternative partikler kaldet axioner, som ikke direkte kan observeres som neutrinoer.

Det er meget sandsynligt, at det næste årti vil blive domineret af opdagelser relateret til neutrinoer. De er blandt de mest almindelige partikler i universet. Samtidig en af ​​de sværeste at studere, fordi neutrinoer interagerer meget svagt med almindeligt stof.

Forskere har længe vidst, at denne partikel består af tre separate såkaldte smagsstoffer og tre separate massetilstande – men de matcher ikke lige smag, og hver smag er en kombination af tre massetilstande på grund af kvantemekanikken. Forskerne håber at finde ud af den nøjagtige betydning af disse masser og den rækkefølge, de optræder i, når de kombineres for at skabe hver enkelt duft. Eksperimenter som f.eks CATHERINE i Tyskland skal de indsamle de nødvendige data for at bestemme disse værdier i de kommende år.

3. XENON-nT detektor model

Neutrinoer har mærkelige egenskaber. Når de rejser, for eksempel i rummet, ser de ud til at svinge mellem smag. Eksperter fra Jiangmen Underjordiske Neutrino Observatorium i Kina, som forventes at begynde at indsamle data om neutrinoer, der udsendes fra nærliggende atomkraftværker næste år.

Der er en lignende type projekt Super Kamiokande, observationer i Japan har været udført i lang tid. USA er begyndt at bygge sine egne neutrino-teststeder. LBNF i Illinois og eksperimentet med neutrinoer i dybden KLIT i South Dakota.

Det multi-landsfinansierede LBNF/DUNE-projekt på 1,5 milliarder USD forventes at begynde i 2024 og være fuldt operationelt i 2027. Andre eksperimenter designet til at låse op for neutrinoers hemmeligheder omfatter AVENUE, ved Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, og Kort-baseline neutrino program, i Fermilab, Illinois.

Til gengæld i projektet Legend-200, Planlagt at åbne i 2021, vil det studere et fænomen kendt som neutrinoless double beta-henfald. Det antages, at to neutroner fra kernen af ​​et atom samtidig henfalder til protoner, som hver udsender en elektron og , kommer i kontakt med en anden neutrino og tilintetgør.

Hvis en sådan reaktion eksisterede, ville det give bevis for, at neutrinoer er deres eget antistof, hvilket indirekte understøtter en anden teori om det tidlige univers – hvilket forklarer hvorfor der er mere stof end antistof.

Fysikere ønsker også endelig at studere den mystiske mørke energi, der trænger ind i rummet og fører til universets udvidelse. Mørk energi spektroskopi Værktøjet (DESI) gik lige i luften sidste år og forventes at gå live i 2020. Stort synoptisk undersøgelsesteleskop i Chile, piloteret af National Science Foundation/Department of Energy - et fuldgyldigt forskningsprogram, der bruger dette udstyr, skulle begynde i 2022.

På den anden side (4), som var bestemt til at blive begivenheden i det udgående årti, vil i sidste ende blive det tyvendes helt. Ud over de planlagte eftersøgninger vil den bidrage til studiet af mørk energi ved at observere galakser og deres fænomener.

4. Visualisering af James Webb-teleskopet

Hvad skal vi spørge om

Det er sund fornuft, at det næste årti inden for fysik ikke vil blive en succes, hvis vi om ti år stiller de samme ubesvarede spørgsmål. Det bliver meget bedre, når vi får de svar, vi ønsker, men også når der opstår helt nye spørgsmål, fordi vi ikke kan regne med en situation, hvor fysikken siger: "Jeg har ikke flere spørgsmål," nogensinde.