Hoe om uit die impasse in fisika te kom?
Die volgende generasie deeltjiebotser sal miljarde dollars kos. Daar is planne om sulke toestelle in Europa en China te bou, maar wetenskaplikes bevraagteken of dit sin maak. Miskien moet ons soek na 'n nuwe manier van eksperimentering en navorsing wat sal lei tot 'n deurbraak in fisika?
Die Standaardmodel is herhaaldelik bevestig, ook by die Large Hadron Collider (LHC), maar dit voldoen nie aan al die verwagtinge van fisika nie. Dit kan nie raaisels soos die bestaan van donker materie en donker energie verklaar, of waarom swaartekrag so verskil van ander fundamentele kragte nie.
In wetenskap wat tradisioneel sulke probleme hanteer, is daar 'n manier om hierdie hipoteses te bevestig of te weerlê. versameling van bykomende data - in hierdie geval, van beter teleskope en mikroskope, en miskien van 'n heeltemal nuwe, selfs groter super buffer wat 'n kans sal skep om ontdek te word supersimmetriese deeltjies.
In 2012 het die Instituut vir Hoë Energie Fisika van die Chinese Akademie vir Wetenskappe 'n plan aangekondig om 'n reuse supertoonbank te bou. Beplan Electron Positron Collider (CEPC) dit sou 'n omtrek van ongeveer 100 km hê, amper vier keer dié van die LHC (1). In reaksie, in 2013, het die operateur van die LHC, dit wil sê CERN, sy plan aangekondig vir 'n nuwe botsingstoestel genaamd Future Circular Collider (FCC).
1. Groottevergelyking van die beplande CEPC-, FCC- en LHC-versnellers.
Wetenskaplikes en ingenieurs wonder egter of hierdie projekte die groot belegging werd sal wees. Chen-Ning Yang, 'n Nobelpryswenner in deeltjiefisika, het drie jaar gelede op sy blog die soektog na spore van supersimmetrie met nuwe supersimmetrie gekritiseer en dit 'n "raaispeletjie" genoem. 'n Baie duur raaiskoot. Dit is deur baie wetenskaplikes in China geëggo, en in Europa het die ligpunte van die wetenskap in dieselfde gees oor die FCC-projek gepraat.
Dit is aan Gizmodo gerapporteer deur Sabine Hossenfelder, 'n fisikus by die Instituut vir Gevorderde Studie in Frankfurt. -
Kritici van projekte om kragtiger botsers te skep, merk op dat die situasie anders is as toe dit gebou is. Dit was destyds bekend dat ons selfs gesoek het Bogs Higgs. Nou is die doelwitte minder gedefinieer. En die stilte in die resultate van eksperimente uitgevoer deur die Large Hadron Collider wat opgegradeer is om die Higgs-ontdekking te akkommodeer - met geen deurbraakbevindinge sedert 2012 nie - is ietwat onheilspellend.
Daarby is daar 'n bekende, maar dalk nie universele nie, feit dat alles wat ons weet oor die resultate van eksperimente by die LHC kom uit die ontleding van slegs sowat 0,003% van die data wat toe verkry is. Ons kon net nie meer hanteer nie. Dit kan nie uitgesluit word dat die antwoorde op die groot vrae van fisika wat by ons spook, reeds in die 99,997% is wat ons nie oorweeg het nie. So miskien het jy nie soseer nodig om nog 'n groot en duur masjien te bou nie, maar om 'n manier te vind om baie meer inligting te ontleed?
Dit is die moeite werd om te oorweeg, veral aangesien fisici hoop om nog meer uit die motor te druk. 'n Twee jaar stilstand (sogenaamde) wat onlangs begin het, sal die botser onaktief hou tot 2021, wat instandhouding moontlik maak (2). Dit sal dan met soortgelyke of effens hoër energie begin werk, voordat dit 'n groot opgradering in 2023 ondergaan, met voltooiing geskeduleer vir 2026.
Hierdie modernisering sal een miljard dollar kos (goedkoop in vergelyking met die beplande koste van die FCC), en sy doel is om 'n sg. Hoë helderheid-LHC. Teen 2030 kan dit tienvoudig die aantal botsings wat 'n motor per sekonde produseer, vermeerder.
2. Herstelwerk aan die LHC
dit was 'n neutrino
Een van die deeltjies wat nie by die LHC opgespoor is nie, alhoewel dit na verwagting sou wees, is wimp (-swak interaksie massiewe deeltjies). Dit is hipotetiese swaar deeltjies (van 10 GeV / s² tot verskeie TeV / s², terwyl die protonmassa effens minder as 1 GeV / s² is) wat met sigbare materie in wisselwerking tree met 'n krag wat vergelykbaar is met die swak interaksie. Hulle sou die geheimsinnige geheimsinnige massa genaamd donker materie verduidelik, wat vyf keer meer algemeen in die heelal as gewone materie voorkom.
By die LHC is geen WIMPs in hierdie 0,003% van die eksperimentele data gevind nie. Daar is egter goedkoper metodes hiervoor – bv. XENON-NT eksperiment (3), 'n groot vat vloeibare xenon diep onder die grond in Italië en in die proses om in die navorsingsnetwerk ingevoer te word. In nog 'n groot vat xenon, LZ in Suid-Dakota, sal die soektog so vroeg as 2020 begin.
Nog 'n eksperiment, bestaande uit supersensitiewe ultrakoue halfgeleierdetektors, word genoem SuperKDMS SNOLAB, sal vroeg in 2020 begin om data na Ontario op te laai. Die kanse om hierdie geheimsinnige deeltjies uiteindelik in die 20's van die XNUMXste eeu te "skiet" neem dus toe.
Wimps is nie die enigste donker materie-kandidate waarna wetenskaplikes soek nie. In plaas daarvan kan eksperimente alternatiewe deeltjies produseer wat aksions genoem word wat nie direk soos neutrino's waargeneem kan word nie.
Dit is baie waarskynlik dat die volgende dekade sal behoort aan ontdekkings wat met neutrino's verband hou. Hulle is van die volopste deeltjies in die heelal. Terselfdertyd een van die moeilikste om te bestudeer, want neutrino's reageer baie swak met gewone materie.
Wetenskaplikes weet al lank dat hierdie deeltjie uit drie afsonderlike sogenaamde geure en drie afsonderlike massatoestande bestaan – maar dit pas nie presies by geure nie, en elke geur is 'n kombinasie van drie massatoestande as gevolg van kwantummeganika. Die navorsers hoop om die presiese betekenis van hierdie massas uit te vind en die volgorde waarin hulle verskyn wanneer hulle gekombineer word om elke geur te skep. Eksperimente soos KATHERINE in Duitsland moet hulle die nodige data insamel om hierdie waardes in die komende jare te bepaal.
3. XENON-nT detector model
Neutrino's het vreemde eienskappe. As hulle in die ruimte reis, lyk dit of hulle byvoorbeeld tussen smake ossilleer. Kenners van Jiangmen Ondergrondse Neutrino Sterrewag in China, wat na verwagting volgende jaar data sal begin insamel oor neutrino's wat deur nabygeleë kernkragsentrales vrygestel word.
Daar is 'n projek van hierdie tipe Super-Kamiokande, waarnemings in Japan is al lank aan die gang. Die VSA het begin om sy eie neutrino-toetsterreine te bou. LBNF in Illinois en 'n eksperiment met neutrino's op die diepte DUIN in Suid-Dakota.
Die $1,5 miljard multi-land befondsde LBNF/DUNE-projek sal na verwagting in 2024 begin en teen 2027 ten volle in werking wees. Ander eksperimente wat ontwerp is om die geheime van die neutrino te ontsluit, sluit in LAAN, by die Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, en kort basislyn neutrino-program, in Fermilab, Illinois.
Op sy beurt, in die projek Legende-200, Geskeduleer om in 2021 oop te maak, sal 'n verskynsel bekend as neutrinolose dubbele beta-verval bestudeer word. Daar word aanvaar dat twee neutrone uit die kern van 'n atoom gelyktydig in protone verval, wat elk 'n elektron uitstoot en , met 'n ander neutrino in aanraking kom en vernietig.
As so 'n reaksie bestaan het, sou dit bewys lewer dat neutrino's hul eie antimaterie is, wat indirek 'n ander teorie oor die vroeë heelal bevestig - verduidelik hoekom daar meer materie as antimaterie is.
Fisici wil ook uiteindelik kyk na die geheimsinnige donker energie wat die ruimte insypel en die heelal laat uitsit. Donker energie spektroskopie Die instrument (DESI) het eers verlede jaar begin werk en sal na verwagting in 2020 bekend gestel word. Groot Sinoptiese Opname Teleskoop in Chili, geloods deur die Nasionale Wetenskapstigting/Departement van Energie, moet 'n volwaardige navorsingsprogram wat hierdie toerusting gebruik, in 2022 begin.
Aan die ander kant (4), wat bestem was om die gebeurtenis van die uitgaande dekade te word, sal uiteindelik die held van die twintigste herdenking word. Benewens die beplande soektogte, sal dit bydra tot die studie van donker energie deur sterrestelsels en hul verskynsels waar te neem.
4. Visualisering van die James Webb-teleskoop
Wat gaan ons vra
In gesonde verstand sal die volgende dekade in fisika nie suksesvol wees as ons tien jaar van nou af dieselfde onbeantwoorde vrae vra nie. Dit sal baie beter wees wanneer ons die antwoorde kry wat ons wil hê, maar ook wanneer heeltemal nuwe vrae opduik, want ons kan nie staatmaak op 'n situasie waarin fisika ooit sal sê: "Ek het nie meer vrae nie," nie.
