Hur tar man sig ur återvändsgränden i fysiken?
Nästa generations partikelkolliderare kommer att kosta miljarder dollar. Det finns planer på att bygga sådana enheter i Europa och Kina, men forskare tvivlar på om detta är vettigt. Kanske är det bättre att leta efter ett nytt sätt att experimentera och forska som kommer att leda till ett genombrott inom fysiken?
Standardmodellen har bekräftats många gånger, inklusive vid Large Hadron Collider (LHC), men den lever inte upp till fysikens alla förväntningar. Det kan inte förklara mysterier som förekomsten av mörk materia och mörk energi eller varför gravitationen är så olik andra fundamentala krafter.
Inom vetenskapen, som traditionellt hanterar sådana problem, finns det ett sätt att bekräfta eller vederlägga dessa hypoteser. samla in ytterligare data – i det här fallet från bättre teleskop och mikroskop, och kanske från ett helt nytt, ännu större super stötfångare vilket kommer att skapa en chans att bli upptäckt supersymmetriska partiklar.
2012 tillkännagav Institute of High Energy Physics vid den kinesiska vetenskapsakademin en plan för att bygga en gigantisk superdisk. Planerad Electron Positron Collider (CEPC) den skulle ha en omkrets på cirka 100 km, nästan fyra gånger större än LHC (1). Som svar, 2013, tillkännagav operatören av LHC, d.v.s. CERN, sin plan att skapa en ny kollisionsanordning kallad Future Circular Collider (FCC).
1. Jämförelse av storlekarna på de planerade acceleratorerna CEPC, FCC och LHC.
Men forskare och ingenjörer undrar om dessa projekt kommer att vara värda den enorma investeringen. Chen-Ning Yang, en nobelpristagare i partikelfysik, kritiserade sökandet efter spår av supersymmetri med hjälp av ny supersymmetri i ett blogginlägg för tre år sedan och kallade det ett "gissningsspel". En mycket dyr gissning. Han upprepades av många forskare i Kina, och i Europa talade vetenskapliga armaturer i samma anda om FCC-projektet.
Detta rapporterades till Gizmodo av Sabine Hossenfelder, fysiker vid Institutet för avancerade studier i Frankfurt. -
Kritiker av projekt för att bygga mer kraftfulla kolliderar noterar att situationen är annorlunda än när den byggdes. På den tiden var det känt att vi till och med letade efter Higgs-bosonen. Nu är målen mindre definierade. Och tystnaden i resultaten av experiment utförda av Large Hadron Collider, uppgraderad för Higgs-fyndigheten – när inte en enda genombrottsupptäckt har dykt upp sedan 2012 – är något illavarslande.
Dessutom finns det ett välkänt, men kanske inte alla, faktum som allt vi vet om resultaten av LHC-experimenten kommer från att analysera endast cirka 0,003 % av de data som erhölls då. Vi orkade bara inte mer. Det kan inte uteslutas att svaren på fysikens stora frågor som förföljer oss redan ingår i de 99,997% som vi inte har övervägt. Så det du behöver kanske inte är att bygga en annan stor, dyr maskin, utan snarare att hitta ett sätt att analysera mycket mer information?
Det är värt att överväga, särskilt eftersom fysiker hoppas kunna pressa ut ännu mer ur maskinen. Den tvååriga stilleståndstiden (så kallad) som började nyligen kommer att hålla kollideren inaktiv till 2021, vilket möjliggör underhåll (2). Det kommer sedan att börja arbeta med liknande eller något högre energier innan det genomgår en större uppgradering 2023, med färdigställande planerat till 2026.
Denna modernisering kommer att kosta en miljard dollar (billigt jämfört med den planerade kostnaden för FKK), och dess mål är att skapa den sk. Hög ljusstyrka-LHC. År 2030 kan detta öka antalet kollisioner en bil gör per sekund med tio gånger.
2. Reparationsarbete på LHC
det var en neutrino
En av partiklarna som inte upptäcktes vid LHC, även om man hoppades på, är MES (- svagt interagerande massiva partiklar). Dessa är hypotetiska tunga partiklar (från 10 GeV/s² till flera TeV/s², med en protons massa något mindre än 1 GeV/s²), som interagerar med synligt material med en kraft som är jämförbar med den svaga interaktionen. De skulle förklara den mystiska mysteriemassan som kallas mörk materia, som är fem gånger vanligare i universum än vanlig materia.
Vid LHC hittades inga WIMPs i dessa 0,003% av experimentdata. Det finns dock billigare metoder för detta – till exempel. XENON-nT-experiment (3), ett enormt kärl flytande xenon djupt under jorden i Italien och håller på att matas in i ett forskningsnätverk. I ett annat enormt kar med xenon, LZ i South Dakota, kommer sökningen att börja 2020.
Ett annat experiment, bestående av ultrakänsliga ultrakalla halvledardetektorer, kallas SuperKDMS SNOLAB, kommer att börja ladda ner data i Ontario i början av 2020. Så chanserna att äntligen "fånga" dessa mystiska partiklar på 20-talet ökar.
Wimps är inte de enda kandidaterna för mörk materia som forskare jagar efter. Istället kan experiment producera alternativa partiklar som kallas axioner, som inte direkt kan observeras som neutriner.
Det är mycket troligt att nästa decennium kommer att domineras av upptäckter relaterade till neutriner. De är bland de vanligaste partiklarna i universum. Samtidigt en av de svåraste att studera, eftersom neutriner interagerar mycket svagt med vanlig materia.
Forskare har länge vetat att denna partikel består av tre separata så kallade smaker och tre separata masstillstånd - men de matchar inte exakt smaker, och varje smak är en kombination av tre masstillstånd på grund av kvantmekaniken. Forskarna hoppas kunna ta reda på den exakta betydelsen av dessa massor och i vilken ordning de visas när de kombineras för att skapa varje doft. Experiment som t.ex KATRIN i Tyskland måste de samla in de uppgifter som behövs för att fastställa dessa värden under de kommande åren.
3. XENON-nT-detektormodell
Neutrinos har konstiga egenskaper. När de till exempel reser i rymden verkar de pendla mellan smakerna. Experter från Jiangmen Underground Neutrino Observatory i Kina, som förväntas börja samla in data om neutriner som släpps ut från närliggande kärnkraftverk nästa år.
Det finns en liknande typ av projekt Super Kamiokande, observationer i Japan har utförts under lång tid. USA har börjat bygga sina egna neutrinotestplatser. LBNF i Illinois och experimentet med neutriner på djupet DYN i South Dakota.
LBNF/DUNE-projektet som finansieras med flera länder på 1,5 miljarder USD förväntas börja 2024 och vara fullt operativt 2027. Andra experiment utformade för att låsa upp neutrinos hemligheter inkluderar AVENY, vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, och Neutrinoprogram med kort baslinje, i Fermilab, Illinois.
I sin tur i projektet Legend-200, Planerad att öppna 2021, kommer den att studera ett fenomen som kallas neutrinoless double beta-sönderfall. Det antas att två neutroner från en atoms kärna samtidigt sönderfaller till protoner, som var och en stöter ut en elektron och , kommer i kontakt med en annan neutrino och förintar.
Om en sådan reaktion existerade skulle det ge bevis för att neutriner är deras egen antimateria, vilket indirekt stöder en annan teori om det tidiga universum - förklara varför det finns mer materia än antimateria.
Fysiker vill också äntligen studera den mystiska mörka energin som tränger in i rymden och leder till universums expansion. Mörk energispektroskopi Verktyget (DESI) gick precis live förra året och förväntas gå live 2020. Stort synoptiskt undersökningsteleskop i Chile, piloterat av National Science Foundation/Department of Energy - ett fullfjädrat forskningsprogram som använder denna utrustning bör börja 2022.
På andra sidan (4), som var avsedd att bli händelsen under det utgående decenniet, kommer så småningom att bli det tjugonde hjälten. Förutom de planerade sökningarna kommer den att bidra till studiet av mörk energi genom att observera galaxer och deras fenomen.
4. Visualisering av James Webb-teleskopet
Vad ska vi fråga
Det är sunt förnuft att nästa decennium inom fysiken inte kommer att bli framgångsrikt om vi om tio år ställer samma obesvarade frågor. Det kommer att bli mycket bättre när vi får de svar vi vill ha, men också när helt nya frågor dyker upp, eftersom vi inte kan räkna med en situation där fysiken säger: "Jag har inga fler frågor," någonsin.
