Як вийти з глухого кута у фізиці?

Колайдер частинок наступного покоління коштуватиме мільярди доларів. Є плани збудувати такі пристрої в Європі та Китаї, але вчені сумніваються, чи є в цьому сенс. Можливо, нам краще шукати новий спосіб експериментів та досліджень, що призведе до прориву у фізиці? 

Стандартна модель неодноразово підтверджувалася, у тому числі на Великому адронному колайдері (БАК), але вона не виправдовує всі очікування фізики. Вона не може пояснити такі загадки, як існування темної матерії та темної енергії, або чому гравітація так відрізняється від інших фундаментальних сил.

У науці, яка традиційно займається такими проблемами, є спосіб підтвердити або спростувати ці гіпотези. збір додаткових даних – в даному випадку від якісніших телескопів і мікроскопів і, можливо, від абсолютно нового, ще більшого супер бампер що створить шанс бути виявленим суперсиметричні частинки.

У 2012 році Інститут фізики високих енергій Китайської академії наук оголосив про план створення гігантського суперлічильника. Планується Електронно-позитронний колайдер (CEPC) він мав би коло близько 100 км, що майже вчетверо більше, ніж у ВАК (1). У відповідь 2013 року оператор LHC, тобто ЦЕРН, оголосив про свій план створення нового пристрою для зіткнень, названого Майбутній Круговий Колайдер (FCC).

1. Порівняння розмірів планованих прискорювачів CEPC, FCC та LHC.

Проте вчені та інженери запитують, чи коштуватимуть ці проекти величезних інвестицій. Чен-Нінг Ян, лауреат Нобелівської премії з фізики елементарних частинок, три роки тому у своєму блозі розкритикував пошук слідів суперсиметрії за допомогою нової суперсиметрії, назвавши це «грою угадайку». Дуже дорогий здогад. Йому вторили багато вчених у Китаї, і в Європі корифеї науки висловилися в тому ж дусі про проект FCC.

Про це повідомила Gizmodo Сабіна Хоссенфельдер, фізик з Інституту перспективних досліджень у Франкфурті. -

Критики проектів зі створення потужніших колайдерів зазначають, що ситуація відрізняється від того, коли він був побудований. На той час було відомо, що ми навіть шукали Бозон Хіггса. Наразі цілі менш визначені. І мовчання у результатах експериментів, проведених Великим адронним колайдером, модернізованим під відкриття Хіггса, коли з 2012 року не з'явилося жодного проривного відкриття, дещо зловісне.

Крім того, є відомий, але, можливо, не всім факт, що все, що ми знаємо про результати експериментів на ВАК, виходить із аналізу лише близько 0,003% отриманих тоді даних. Ми просто не могли більше обробляти. Не можна виключати, що відповіді на великі питання фізики, які не дають нам спокою, вже входять до тих 99,997%, які ми не розглянули. То може вам потрібно не так побудувати ще одну велику і дорогу машину, скільки знайти спосіб аналізувати набагато більше інформації?

Варто замислитись, тим більше, що фізики сподіваються вичавити з машини ще більше. Дворічний простий (так званий), що розпочався нещодавно, триматиме колайдер недіючим до 2021 року, що дозволить провести технічне обслуговування (2). Потім він почне працювати на аналогічних або дещо вищих енергіях, а потім 2023 року пройде ґрунтовну модернізацію, завершення якої заплановано на 2026 рік.

Ця модернізація коштуватиме один мільярд доларів (дешево порівняно з плановою вартістю ФКК), і її метою є створення т.зв. High Luminosity-LHC. До 2030 року це може вдесятеро збільшити кількість зіткнень, що виробляються машиною за секунду.

2. Ремонтні роботи на ВАК

це був нейтрин

Одна з частинок, яка не була виявлена ​​на ВАК, хоч на неї і розраховували, це Розширення WIMP (- слабко взаємодіючі потужні частки). Це гіпотетичні важкі частинки (від 10 ГеВ/с² до кількох ТеВ/с², при цьому маса протона трохи менше 1 ГеВ/с²), що взаємодіють із видимою речовиною із силою, порівнянною зі слабкою взаємодією. Вони б пояснили таємничу загадкову масу, яка називається темною матерією, яка зустрічається у Всесвіті вп'ятеро частіше, ніж звичайна матерія.

На ВАК вимпи у цих 0,003% експериментальних даних не виявлено. Однак для цього є дешевші методи – наприклад. КСЕНОН-нТ експеримент (3), величезний чан із рідким ксеноном глибоко під землею в Італії та в процесі подачі до дослідницької мережі. В іншому величезному чані ксенону, ЛЗ у Південній Дакоті, пошуки розпочнуться вже 2020 року.

Інший експеримент, що складається із надчутливих ультрахолодних напівпровідникових детекторів, називається SuperKDMS SNOLAB, розпочне завантаження даних в Онтаріо на початку 2020 року. Тож шанси нарешті «зняти» ці загадкові частки у 20-х роках XNUMX століття зростають.

Вімпи — не єдині кандидати у темну матерію, за якими полюють вчені. Натомість експерименти можуть виробляти альтернативні частинки, які називаються аксіонами, які не можна спостерігати безпосередньо, як нейтрино.

Цілком імовірно, що наступне десятиліття буде належати відкриттям, пов'язаним з нейтрино. Вони є одними з найпоширеніших частинок у Всесвіті. У той же час одна з найскладніших для вивчення, тому що нейтрино дуже слабко взаємодіють із звичайною речовиною.

Вченим вже давно відомо, що ця частка складається з трьох окремих так званих ароматів і трьох окремих масових станів – але вони не повністю відповідають ароматам, і кожен аромат є комбінацією трьох масових станів через квантову механіку. Дослідники сподіваються дізнатися про точні значення цих мас і порядок їх появи, коли вони об'єднуються для створення кожного аромату. Такі експерименти, як КАТРІН у Німеччині вони мають зібрати дані, необхідні визначення цих значень найближчими роками.

3. Модель детектора XENON-nT

Нейтрино мають дивні властивості. Подорожуючи, наприклад, у космосі, вони, здається, вагаються між смаками. Експерти з Підземна нейтринна обсерваторія Цзянмень у Китаї, який, як очікується, почне збирати дані про нейтрино, що випускаються найближчими атомними електростанціями, наступного року.

Проект такого типу є Супер-Каміоканде, спостереження у Японії велися давно. США розпочали будівництво своїх нейтринних випробувальних полігонів. LBNF в Іллінойсі та експеримент з нейтрино на глибині ДУНА у Південній Дакоті.

Очікується, що проект LBNF/DUNE, що фінансується кількома країнами, вартістю 1,5 мільярда доларів, розпочнеться у 2024 році та буде повністю запущений до 2027 року. Інші експерименти, призначені для розкриття секретів нейтрино, включають ПРОСПЕКТ, у Національній лабораторії Ок-Рідж у Теннессі, та Програма короткобазових нейтрино, у Фермілабі, штат Іллінойс.

У свою чергу, у проекті Легенда-200, Відкриття якого заплановано на 2021 рік, вивчатиме явище, відоме як безнейтринний подвійний бета-розпад. Передбачається, що два нейтрони з атома ядра одночасно розпадаються на протони, кожен з яких викидає електрон і , вступає в контакт з іншим нейтрино та анігілює.

Якби така реакція існувала, це дало б докази того, що нейтрино є їхньою власною антиматерією, побічно підтверджуючи іншу теорію про ранній Всесвіт — пояснюючи, чому матерії більше, ніж антиматерії.

Фізики також хочуть зайнятися вивченням таємничої темної енергії, що проникає в космос і призводить до розширення Всесвіту. Спектроскопія темної енергії Інструмент (DESI) почав працювати тільки торік і, як очікується, буде запущено у 2020 році. Великий синоптичний оглядовий телескоп у Чилі, пілотується Національним науковим фондом/Міністерством енергетики — повноцінна дослідницька програма з використанням цього обладнання має розпочатися у 2022 році.

С другой стороны (4), якому судилося стати подією минулого десятиліття, у результаті стане героєм двадцятиріччя. Крім запланованих пошуків, він сприятиме вивченню темної енергії, спостерігаючи за галактиками та їх явищами.

4. Візуалізація телескопа Джеймса Вебба

Що ми збираємось спитати

У здоровому глузді наступне десятиліття у фізиці не буде успішним, якщо через десять років ми ставитимемо ті самі питання без відповіді. Буде набагато краще, коли ми отримаємо бажані відповіді, але також і коли виникнуть нові питання, тому що ми не можемо розраховувати на ситуацію, в якій фізика скаже: «У мене більше немає питань», ніколи.