Як выйсці з тупіку ў фізіцы?
Калайдэр часціц наступнага пакалення будзе каштаваць мільярды долараў. Ёсць планы пабудаваць такія прылады ў Еўропе і Кітаі, але навукоўцы сумняваюцца, ці ёсць у гэтым сэнс. Можа, нам лепш шукаць новы спосаб эксперыментаў і даследаванняў, які прывядзе да прарыву ў фізіцы?
Стандартная мадэль неаднаразова пацвярджалася, у тым ліку на Вялікім адронным калайдэры (БАК), але яна не апраўдвае ўсіх чаканняў фізікі. Яна не можа растлумачыць такія загадкі, як існаванне цёмнай матэрыі і цёмнай энергіі ці чаму гравітацыя так адрозніваецца ад іншых фундаментальных сіл.
У навуцы, якая традыцыйна займаецца такімі праблемамі, ёсць спосаб пацвердзіць ці абвергнуць гэтыя гіпотэзы. збор дадатковых дадзеных – у дадзеным выпадку ад больш якасных тэлескопаў і мікраскопаў і, можа быць, ад зусім новага, яшчэ буйнейшага супер бампер што створыць шанец быць знойдзеным суперсіметрычныя часціцы.
У 2012 годзе Інстытут фізікі высокіх энергій Кітайскай акадэміі навук аб'явіў аб плане стварэння гіганцкага суперлічыльніка. Плануецца Электронна-пазітронны калайдэр (CEPC) ён меў бы акружнасць каля 100 км, што амаль у чатыры разы больш, чым у ВАК (1). У адказ у 2013 годзе аператар LHC, гэта значыць ЦЕРН, абвясціў аб сваім плане стварэння новай прылады для сутыкненняў, названага Будучы Кругавы Калайдэр (FCC).
1. Параўнанне памераў планаваных паскаральнікаў CEPC, FCC і LHC.
Аднак навукоўцы і інжынеры задаюцца пытаннем, ці будуць гэтыя праекты каштаваць вялізных інвестыцый. Чэн-Нінг Ян, лаўрэат Нобелеўскай прэміі па фізіцы элементарных часціц, тры гады таму ў сваім блогу раскрытыкаваў пошук слядоў суперсіметрыі з дапамогай новай суперсіметрыі, назваўшы гэта «гульнёй у угадайку». Вельмі дарагая здагадка. Яму паўтаралі шматлікія навукоўцы ў Кітаі, і ў Еўропе карыфеі навукі выказаліся ў тым жа духу аб праекце FCC.
Пра гэта паведаміла Gizmodo Сабіна Хосенфельдэр, фізік з Інстытута перспектыўных даследаванняў у Франкфурце. -
Крытыкі праектаў па стварэнню больш магутных калайдэраў адзначаюць, што сітуацыя адрозніваецца ад таго, калі ён быў пабудаваны. У той час было вядома, што мы нават шукалі Базон Хігса. Цяпер мэты менш вызначаны. І маўчанне ў выніках эксперыментаў, праведзеных Вялікім адронным калайдэрам, мадэрнізаваным пад адкрыццё Хігса — калі з 2012 года не з'явілася ніводнага прарыўнога адкрыцця — крыху злавеснае.
Акрамя таго, ёсць вядомы, але, магчыма, не ўсім факт, што усё, што мы ведаем аб выніках эксперыментаў на ВАК, зыходзіць з аналізу толькі каля 0,003% атрыманых тады даных. Мы проста не маглі больш апрацоўваць. Нельга выключаць, што адказы на вялікія пытанні фізікі, якія не даюць нам спакою, ужо ўваходзяць у тыя 99,997, XNUMX%, якія мы не разгледзелі. Дык можа вам трэба не столькі пабудаваць яшчэ адну вялікую і дарагую машыну, колькі знайсці спосаб аналізаваць значна больш інфармацыі?
Варта задумацца, тым больш што фізікі спадзяюцца выціснуць з машыны яшчэ больш. Двухгадовы просты (так званы), які пачаўся нядаўна, будзе трымаць калайдэр бяздзейным да 2021 года, што дазволіць правесці тэхнічнае абслугоўванне (2). Затым ён пачне працаваць на аналагічных або некалькі больш высокіх энергіях, а потым у 2023 годзе пройдзе грунтоўную мадэрнізацыю, завяршэнне якой запланавана на 2026 год.
Гэтая мадэрнізацыя абыдзецца ў адзін мільярд даляраў (танна ў параўнанні з планавым коштам ФКК), і яе мэтай з'яўляецца стварэнне т.зв. Высокая свяцільнасць-LHC. Да 2030 года гэта можа ў дзесяць разоў павялічыць колькасць сутыкненняў, якія вырабляюцца машынай за секунду.
2. Рамонтныя працы на БАК
гэта быў нейтрын
Адна з часціц, якая не была знойдзена на ВАК, хаця на яе і разлічвалі, гэта Пашырэнне WIMP (- слаба ўзаемадзейнічаюць масіўныя часціцы). Гэта гіпатэтычныя цяжкія часціцы (ад 10 ГэВ / с ² да некалькіх ТЭВ / с ², пры гэтым маса пратона крыху менш 1 ГэВ / с ²), якія ўзаемадзейнічаюць з бачным рэчывам з сілай, параўнальнай са слабым узаемадзеяннем. Яны б растлумачылі таямнічую загадкавую масу, званую цёмнай матэрыяй, якая сустракаецца ў Сусвеце ў пяць разоў часцей, чым звычайная матэрыя.
На ВАК вимпы ў гэтых 0,003% эксперыментальных дадзеных не выяўлены. Аднак для гэтага ёсць таннейшыя метады - напрыклад. КСЕНОН-нТ эксперымент (3), велізарны чан з вадкім ксэнонам глыбока пад зямлёй у Італіі і ў працэсе падачы ў даследчую сетку. У іншым вялізным чане ксенону, ЛЗ у Паўднёвай Дакоце, пошукі пачнуцца ўжо ў 2020 годзе.
Іншы эксперымент, які складаецца з звышадчувальных ультрахалодных паўправадніковых дэтэктараў, называецца SuperKDMS SNOLAB, пачне загрузку дадзеных у Антарыё ў пачатку 2020 года. Так што шанцы нарэшце "зазняць" гэтыя загадкавыя часціцы ў 20-х гадах XNUMX стагоддзі ўзрастаюць.
Вімпы - не адзіныя кандыдаты ў цёмную матэрыю, за якімі палююць навукоўцы. Замест гэтага эксперыменты могуць вырабляць альтэрнатыўныя часціцы, званыя аксіёнамі, якія нельга назіраць напрамую, як нейтрына.
Вельмі верагодна, што наступнае дзесяцігоддзе будзе прыналежаць адкрыццям, злучаным з нейтрына. Яны з'яўляюцца аднымі з самых распаўсюджаных часціц у Сусвеце. У той жа час адна з самых складаных для вывучэння, таму што нейтрына вельмі слаба ўзаемадзейнічаюць са звычайным рэчывам.
Навукоўцам ужо даўно вядома, што гэтая часціца складаецца з трох асобных так званых водары і тры асобных масавых стану - але яны не цалкам адпавядаюць водарам, і кожны водар уяўляе сабой камбінацыю трох масавых станаў з-за квантавай механікі. Даследнікі спадзяюцца даведацца дакладныя значэнні гэтых мас і парадак іх з'яўлення, калі яны аб'ядноўваюцца для стварэння кожнага водару. Такія эксперыменты, як КАЦАРЫНА у Нямеччыне яны павінны сабраць дадзеныя, неабходныя для вызначэння гэтых значэнняў у бліжэйшыя гады.
3. Мадэль дэтэктара XENON-nT
Нейтрына валодаюць дзіўнымі ўласцівасцямі. Падарожнічаючы, напрыклад, у космасе, яны, здаецца, вагаюцца паміж густамі. Эксперты з Падземная нейтрынная абсерваторыя Цзянмэнь у Кітаі, які, як чакаецца, пачне збіраць дадзеныя аб нейтрына, якія выпускаюцца бліжэйшымі атамнымі электрастанцыямі, у наступным годзе.
Праект падобнага тыпу ёсць Супер-Каміякандэ, назіранні ў Японіі вяліся даўно. ЗША прыступілі да будаўніцтва ўласных нейтрынных выпрабавальных палігонаў. ЛБНФ у Ілінойсе і эксперымент з нейтрына на глыбіні ДУНА у Паўднёвай Дакоце.
Чакаецца, што праект LBNF/DUNE, які фінансуецца некалькімі краінамі, коштам 1,5 мільярда даляраў, пачнецца ў 2024 годзе і будзе цалкам запушчаны да 2027 года. Іншыя эксперыменты, прызначаныя для расчынення сакрэтаў нейтрына, уключаюць ПРАСПЕКТ, у Нацыянальнай лабараторыі Ок-Рыдж у Тэнэсі, і Праграма короткобазовых нейтрына, у Фермілабе, штат Ілінойс.
У сваю чаргу, у праекце Легенда-200, Адкрыццё якога запланавана на 2021 год, будзе вывучацца з'ява, вядомае як безнейтрынны падвойны бэта-распад. Мяркуецца, што два нейтрону з ядра атама адначасова распадаюцца на пратоны, кожны з якіх выкідвае электрон і , уступае ў кантакт з іншым нейтрына і анігілюе.
Калі б такая рэакцыя існавала, гэта дало б доказы таго, што нейтрына з'яўляюцца іх уласнай антыматэрыяй, ускосна пацвярджаючы іншую тэорыю пра ранні Сусвет — тлумачачы, чаму матэрыі больш, чым антыматэрыі.
Фізікі таксама жадаюць, нарэшце, заняцца вывучэннем таямнічай цёмнай энергіі, пранікальнай у космас і якая прыводзіць да пашырэння Сусвету. Спектраскапія цёмнай энергіі Інструмент (DESI) пачаў працаваць толькі ў мінулым годзе і, як чакаецца, будзе запушчаны ў 2020 годзе. Вялікі сінаптычны аглядны тэлескоп у Чылі, пілатуецца Нацыянальным навуковым фондам/Міністэрствам энергетыкі - паўнавартасная даследчая праграма з выкарыстаннем гэтага абсталявання павінна пачацца ў 2022 годзе.
З другога боку (4), якому наканавана было стаць падзеяй адыходзячага дзесяцігоддзя, у выніку стане героем дваццацігоддзя. Апроч запланаваных пошукаў, ён будзе спрыяць вывучэнню цёмнай энергіі, назіраючы за галактыкамі і іх з'явамі.
4. Візуалізацыя тэлескопа Джэймса Уэба
Што мы збіраемся спытаць
У разумным сэнсе наступнае дзесяцігоддзе ў фізіцы не будзе паспяховым, калі праз дзесяць гадоў мы будзем задаваць тыя ж самыя пытанні без адказу. Будзе нашмат лепш, калі мы атрымаем жаданыя адказы, але таксама і калі ўзнікнуць зусім новыя пытанні, таму што мы не можам разлічваць на сітуацыю, у якой фізіка скажа: "У мяне больш няма пытанняў", ніколі.
