چگونه از بن بست در فیزیک خارج شویم؟

برخورددهنده ذرات نسل بعدی میلیاردها دلار هزینه خواهد داشت. برنامه هایی برای ساخت چنین دستگاه هایی در اروپا و چین وجود دارد، اما دانشمندان می پرسند که آیا این کار منطقی است یا خیر. شاید ما باید به دنبال روش جدیدی برای آزمایش و تحقیق باشیم که منجر به پیشرفتی در فیزیک شود؟ 

مدل استاندارد بارها تایید شده است، از جمله در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC)، اما تمام انتظارات فیزیک را برآورده نمی کند. نمی تواند معماهایی مانند وجود ماده تاریک و انرژی تاریک یا اینکه چرا گرانش با دیگر نیروهای بنیادی متفاوت است را توضیح دهد.

در علم که به طور سنتی با چنین مسائلی سروکار دارد، راهی برای تایید یا رد این فرضیه ها وجود دارد. جمع آوری داده های اضافی - در این مورد، از تلسکوپ ها و میکروسکوپ های بهتر، و شاید از یک تلسکوپ کاملا جدید، حتی بزرگتر ضربه گیر فوق العاده که فرصتی برای کشف شدن ایجاد می کند ذرات فوق متقارن

در سال 2012، مؤسسه فیزیک انرژی بالا آکادمی علوم چین برنامه ای برای ساخت یک سوپر شمارنده غول پیکر اعلام کرد. برنامه ریزی شده برخورد دهنده الکترون پوزیترون (CEPC) محیط آن حدود 100 کیلومتر است، تقریباً چهار برابر LHC (1). در پاسخ، در سال 2013، اپراتور LHC، یعنی سرن، برنامه خود را برای یک دستگاه برخورد جدید به نام اعلام کرد. برخورد دهنده دایره ای آینده (FCC).

1. مقایسه اندازه شتاب دهنده های برنامه ریزی شده CEPC، FCC و LHC.

با این حال، دانشمندان و مهندسان به این فکر می کنند که آیا این پروژه ها ارزش سرمایه گذاری هنگفت را دارند یا خیر. چن-نینگ یانگ، برنده جایزه نوبل در فیزیک ذرات، سه سال پیش در وبلاگ خود از جستجوی ردپای ابر تقارن با استفاده از ابرتقارن جدید انتقاد کرد و آن را "بازی حدس زدن" نامید. یک حدس بسیار گران قیمت این توسط بسیاری از دانشمندان در چین تکرار شد، و در اروپا، مشاهیر علم با همان روحیه در مورد پروژه FCC صحبت کردند.

سابین هوسنفلدر، فیزیکدان مؤسسه مطالعات پیشرفته در فرانکفورت، این را به Gizmodo گزارش کرده است. -

منتقدان پروژه‌های ایجاد برخورددهنده‌های قوی‌تر خاطرنشان می‌کنند که وضعیت با زمان ساخت آن متفاوت است. آن زمان معلوم بود که ما حتی دنبال آن بودیم باگس هیگز. اکنون اهداف کمتر تعریف شده است. و سکوت در نتایج آزمایش‌های انجام‌شده توسط برخورد دهنده بزرگ هادرونی که برای تطبیق با اکتشاف هیگز ارتقا یافته است - بدون هیچ یافته‌های پیشرفتی از سال 2012 - تا حدودی شوم است.

علاوه بر این، یک واقعیت شناخته شده، اما شاید جهانی، وجود دارد که هر آنچه در مورد نتایج آزمایشات در LHC می دانیم از تجزیه و تحلیل تنها 0,003٪ از داده های بدست آمده در آن زمان بدست می آید. بیشتر از این نمی توانستیم تحمل کنیم. نمی توان رد کرد که پاسخ به سؤالات بزرگ فیزیک که ما را آزار می دهد در حال حاضر در 99,997٪ است که ما در نظر نگرفته ایم. بنابراین شاید برای ساختن یک ماشین بزرگ و گران قیمت دیگر به اندازه کافی نیاز ندارید، بلکه به یافتن راهی برای تجزیه و تحلیل اطلاعات بسیار بیشتر نیاز دارید؟

قابل تامل است، به خصوص از آنجایی که فیزیکدانان امیدوارند که حتی بیشتر از دستگاه خارج شوند. توقف دو ساله (اصطلاحاً) که اخیراً آغاز شده است، برخورد دهنده را تا سال 2021 غیرفعال نگه می دارد و امکان تعمیر و نگهداری را فراهم می کند.2). سپس با انرژی های مشابه یا تا حدودی بالاتر شروع به کار خواهد کرد، قبل از اینکه در سال 2023 تحت یک ارتقاء اساسی قرار گیرد و تکمیل آن برای سال 2026 برنامه ریزی شده است.

این نوسازی یک میلیارد دلار هزینه خواهد داشت (ارزان در مقایسه با هزینه برنامه ریزی شده FCC) و هدف آن ایجاد یک به اصطلاح است. درخشندگی بالا-LHC. تا سال 2030، این می تواند تعداد تصادفات یک خودرو در ثانیه را ده برابر کند.

2. تعمیر کار بر روی LHC

یک نوترینو بود

یکی از ذراتی که در LHC شناسایی نشد، اگرچه انتظار می رفت که باشد، این است WIMP (-ذرات عظیم با تعامل ضعیف). اینها ذرات سنگین فرضی (از 10 GeV / s² تا چندین TeV / s²، در حالی که جرم پروتون اندکی کمتر از 1 GeV / s² است) هستند که با ماده مرئی با نیرویی قابل مقایسه با اندرکنش ضعیف تعامل دارند. آنها توده مرموزی به نام ماده تاریک را توضیح می دهند که در جهان پنج برابر بیشتر از ماده معمولی رایج است.

در LHC، هیچ WIMP در این 0,003٪ از داده های تجربی یافت نشد. با این حال، روش های ارزان تری برای این کار وجود دارد - به عنوان مثال. آزمایش XENON-NT (3، یک خمره عظیم زنون مایع در اعماق زمین در ایتالیا و در حال ورود به شبکه تحقیقاتی است. در خمره بزرگ دیگری از زنون، LZ در داکوتای جنوبی، جستجو از اوایل سال 2020 آغاز خواهد شد.

آزمایش دیگری، متشکل از آشکارسازهای نیمه هادی فوق سرد فوق حساس، نامیده می شود SuperKDMS SNOLAB، آپلود داده ها در انتاریو در اوایل سال 2020 آغاز خواهد شد. بنابراین شانس "تیراندازی" به این ذرات مرموز در دهه 20 قرن XNUMX افزایش می یابد.

Wimps تنها نامزد ماده تاریکی نیست که دانشمندان به دنبال آن هستند. در عوض، آزمایش‌ها می‌توانند ذرات جایگزینی به نام آکسیون تولید کنند که مانند نوترینوها مستقیماً قابل مشاهده نیستند.

به احتمال بسیار زیاد دهه آینده متعلق به اکتشافات مربوط به نوترینوها خواهد بود. آنها از رایج ترین ذرات در جهان هستند. در عین حال، یکی از دشوارترین ها برای مطالعه است، زیرا نوترینوها برهمکنش بسیار ضعیفی با ماده معمولی دارند.

دانشمندان مدت‌هاست می‌دانستند که این ذره از سه حالت به اصطلاح طعم و سه حالت جرمی مجزا تشکیل شده است - اما آنها دقیقاً با طعم‌ها مطابقت ندارند و هر طعم ترکیبی از سه حالت جرمی به دلیل مکانیک کوانتومی است. محققان امیدوارند که به معنای دقیق این توده ها و ترتیب ظاهر شدن آنها هنگام ترکیب آنها برای ایجاد هر عطر پی ببرند. آزمایش هایی مانند کاترین در آلمان، آنها باید داده های لازم برای تعیین این مقادیر را در سال های آینده جمع آوری کنند.

3. مدل آشکارساز XENON-nT

نوترینوها خواص عجیبی دارند. مثلاً در سفر در فضا، به نظر می رسد بین سلیقه ها در نوسان هستند. کارشناسان از رصدخانه زیرزمینی نوترینو جیانگمن در چین، که انتظار می رود سال آینده جمع آوری داده ها در مورد نوترینوهای منتشر شده از نیروگاه های هسته ای مجاور را آغاز کند.

یک پروژه از این نوع وجود دارد سوپر کامیوکنده، مشاهدات در ژاپن برای مدت طولانی در حال انجام است. ایالات متحده ساخت سایت های آزمایش نوترینو خود را آغاز کرده است. LBNF در ایلینوی و آزمایشی با نوترینوها در عمق تپه در داکوتای جنوبی

انتظار می رود پروژه LBNF/DUNE با بودجه 1,5 میلیارد دلاری چند کشوری در سال 2024 آغاز شود و تا سال 2027 به طور کامل عملیاتی شود. آزمایش‌های دیگری که برای باز کردن اسرار نوترینو طراحی شده‌اند عبارتند از خیابان، در آزمایشگاه ملی اوک ریج در تنسی، و برنامه کوتاه پایه نوترینو، در فرمیلاب، ایلینوی.

به نوبه خود، در پروژه Legend-200 قرار است در سال 2021 افتتاح شود، پدیده ای به نام واپاشی مضاعف بتا بدون نوترینو مورد مطالعه قرار خواهد گرفت. فرض بر این است که دو نوترون از هسته یک اتم به طور همزمان به پروتون تجزیه می‌شوند که هر کدام یک الکترون و , با نوترینوی دیگری تماس پیدا می کند و نابود می شود.

اگر چنین واکنشی وجود داشت، شواهدی ارائه می‌کرد که نوترینوها پادماده خودشان هستند، که به طور غیرمستقیم نظریه دیگری را در مورد جهان اولیه تأیید می‌کند - توضیح می‌دهد که چرا ماده بیشتر از پادماده وجود دارد.

فیزیکدانان همچنین می خواهند در نهایت به انرژی تاریک مرموزی که به فضا نفوذ می کند و باعث انبساط جهان می شود، نگاه کنند. طیف سنجی انرژی تاریک ابزار (DESI) تنها سال گذشته شروع به کار کرد و انتظار می رود در سال 2020 راه اندازی شود. تلسکوپ سینوپتیک بزرگ در شیلی، توسط بنیاد ملی علوم/وزارت انرژی، یک برنامه تحقیقاتی تمام عیار با استفاده از این تجهیزات باید در سال 2022 آغاز شود.

С другой стороны (4) که قرار بود به رویداد دهه گذشته تبدیل شود، در نهایت به قهرمان بیستمین سالگرد تبدیل خواهد شد. علاوه بر جستجوهای برنامه ریزی شده، با مشاهده کهکشان ها و پدیده های آنها به مطالعه انرژی تاریک کمک خواهد کرد.

4. تجسم تلسکوپ جیمز وب

چی بپرسیم

به عقل سلیم، دهه آینده در فیزیک موفق نخواهد بود اگر ده سال بعد همین سؤالات بی پاسخ را بپرسیم. زمانی که پاسخ‌هایی را که می‌خواهیم دریافت کنیم، اما همچنین وقتی سؤالات کاملاً جدیدی مطرح می‌شود، بسیار بهتر خواهد بود، زیرا هرگز نمی‌توانیم روی موقعیتی حساب کنیم که در آن فیزیک بگوید "من دیگر سوالی ندارم".