Как выйти из тупика в физике?
Коллайдер частиц следующего поколения будет стоить миллиарды долларов. Есть планы построить такие устройства в Европе и Китае, но ученые сомневаются, есть ли в этом смысл. Может быть, нам лучше искать новый способ экспериментов и исследований, который приведет к прорыву в физике?
Стандартная модель неоднократно подтверждалась, в том числе на Большом адронном коллайдере (БАК), но она не оправдывает всех ожиданий физики. Она не может объяснить такие загадки, как существование темной материи и темной энергии или почему гравитация так отличается от других фундаментальных сил.
В науке, традиционно занимающейся такими проблемами, есть способ подтвердить или опровергнуть эти гипотезы. сбор дополнительных данных – в данном случае от более качественных телескопов и микроскопов и, может быть, от совершенно нового, еще более крупного супер бампер что создаст шанс быть обнаруженным суперсимметричные частицы.
В 2012 году Институт физики высоких энергий Китайской академии наук объявил о плане создания гигантского суперсчетчика. Планируется Электронно-позитронный коллайдер (CEPC) он имел бы окружность около 100 км, что почти в четыре раза больше, чем у БАК (1). В ответ в 2013 году оператор LHC, то есть ЦЕРН, объявил о своем плане создания нового устройства для столкновений, названного Будущий Круговой Коллайдер (FCC).
1. Сравнение размеров планируемых ускорителей CEPC, FCC и LHC.
Однако ученые и инженеры задаются вопросом, будут ли эти проекты стоить огромных инвестиций. Чен-Нинг Ян, лауреат Нобелевской премии по физике элементарных частиц, три года назад в своем блоге раскритиковал поиск следов суперсимметрии с помощью новой суперсимметрии, назвав это «игрой в угадайку». Очень дорогая догадка. Ему вторили многие ученые в Китае, и в Европе корифеи науки высказались в том же духе о проекте FCC.
Об этом сообщила Gizmodo Сабина Хоссенфельдер, физик из Института перспективных исследований во Франкфурте. –
Критики проектов по созданию более мощных коллайдеров отмечают, что ситуация отличается от того, когда он был построен. В то время было известно, что мы даже искали Бозон Хиггса. Теперь цели менее определены. И молчание в результатах экспериментов, проведенных Большим адронным коллайдером, модернизированным под открытие Хиггса — когда с 2012 года не появилось ни одного прорывного открытия — несколько зловещее.
Кроме того, есть известный, но, возможно, не всем факт, что все, что мы знаем о результатах экспериментов на БАК, исходит из анализа лишь около 0,003% полученных тогда данных. Мы просто не могли обрабатывать больше. Нельзя исключать, что ответы на великие вопросы физики, которые не дают нам покоя, уже входят в те 99,997%, которые мы не рассмотрели. Так может вам нужно не столько построить еще одну большую и дорогую машину, сколько найти способ анализировать гораздо больше информации?
Стоит задуматься, тем более, что физики надеются выжать из машины еще больше. Двухлетний простой (так называемый), начавшийся недавно, будет держать коллайдер бездействующим до 2021 года, что позволит провести техническое обслуживание (2). Затем он начнет работать на аналогичных или несколько более высоких энергиях, а затем в 2023 году пройдет основательную модернизацию, завершение которой запланировано на 2026 год.
Эта модернизация обойдется в один миллиард долларов (дешево по сравнению с плановой стоимостью ФКК), и ее целью является создание т.н. High Luminosity-LHC. К 2030 году это может в десять раз увеличить количество столкновений, производимых машиной в секунду.
2. Ремонтные работы на БАК
это был нейтрин
Одна из частиц, которая не была обнаружена на БАК, хотя на нее и рассчитывали, это WIMP (- слабо взаимодействующие массивные частицы). Это гипотетические тяжелые частицы (от 10 ГэВ/с² до нескольких ТэВ/с², при этом масса протона чуть меньше 1 ГэВ/с²), взаимодействующие с видимым веществом с силой, сравнимой со слабым взаимодействием. Они бы объяснили таинственную загадочную массу, называемую темной материей, которая встречается во Вселенной в пять раз чаще, чем обычная материя.
На БАК вимпы в этих 0,003% экспериментальных данных не обнаружены. Однако для этого есть более дешевые методы – например. КСЕНОН-нТ эксперимент (3), огромный чан с жидким ксеноном глубоко под землей в Италии и в процессе подачи в исследовательскую сеть. В другом огромном чане ксенона, ЛЗ в Южной Дакоте, поиски начнутся уже в 2020 году.
Другой эксперимент, состоящий из сверхчувствительных ультрахолодных полупроводниковых детекторов, называется СуперКДМС СНОЛАБ, начнет загрузку данных в Онтарио в начале 2020 года. Так что шансы наконец «заснять» эти загадочные частицы в 20-х годах XNUMX века возрастают.
Вимпы — не единственные кандидаты в темную материю, за которыми охотятся ученые. Вместо этого эксперименты могут производить альтернативные частицы, называемые аксионами, которые нельзя наблюдать напрямую, как нейтрино.
Весьма вероятно, что следующее десятилетие будет принадлежать открытиям, связанным с нейтрино. Они являются одними из самых распространенных частиц во Вселенной. В то же время одна из самых сложных для изучения, потому что нейтрино очень слабо взаимодействуют с обычным веществом.
Ученым уже давно известно, что эта частица состоит из трех отдельных так называемых ароматы и три отдельных массовых состояния – но они не полностью соответствуют ароматам, и каждый аромат представляет собой комбинацию трех массовых состояний из-за квантовой механики. Исследователи надеются узнать точные значения этих масс и порядок их появления, когда они объединяются для создания каждого аромата. Такие эксперименты, как КАТРИН в Германии они должны собрать данные, необходимые для определения этих значений в ближайшие годы.
3. Модель детектора XENON-nT
Нейтрино обладают странными свойствами. Путешествуя, например, в космосе, они, кажется, колеблются между вкусами. Эксперты из Подземная нейтринная обсерватория Цзянмэнь в Китае, который, как ожидается, начнет собирать данные о нейтрино, испускаемых близлежащими атомными электростанциями, в следующем году.
Проект подобного типа есть Супер-Камиоканде, наблюдения в Японии велись давно. США приступили к строительству собственных нейтринных испытательных полигонов. ЛБНФ в Иллинойсе и эксперимент с нейтрино на глубине DUNE в Южной Дакоте.
Ожидается, что проект LBNF / DUNE, финансируемый несколькими странами, стоимостью 1,5 миллиарда долларов, начнется в 2024 году и будет полностью запущен к 2027 году. Другие эксперименты, предназначенные для раскрытия секретов нейтрино, включают ПРОСПЕКТ, в Национальной лаборатории Ок-Ридж в Теннесси, и Программа короткобазовых нейтрино, в Фермилабе, штат Иллинойс.
В свою очередь, в проекте Легенда-200, Открытие которого запланировано на 2021 год, будет изучаться явление, известное как безнейтринный двойной бета-распад. Предполагается, что два нейтрона из ядра атома одновременно распадаются на протоны, каждый из которых выбрасывает электрон и , вступает в контакт с другим нейтрино и аннигилирует.
Если бы такая реакция существовала, это предоставило бы доказательства того, что нейтрино являются их собственной антиматерией, косвенно подтверждая другую теорию о ранней Вселенной — объясняя, почему материи больше, чем антиматерии.
Физики также хотят, наконец, заняться изучением таинственной темной энергии, проникающей в космос и приводящей к расширению Вселенной. Спектроскопия темной энергии Инструмент (DESI) начал работать только в прошлом году и, как ожидается, будет запущен в 2020 году. Большой синоптический обзорный телескоп в Чили, пилотируется Национальным научным фондом/Министерством энергетики — полноценная исследовательская программа с использованием этого оборудования должна начаться в 2022 году.
С другой стороны (4), которому суждено было стать событием уходящего десятилетия, в итоге станет героем двадцатилетия. Помимо запланированных поисков, он будет способствовать изучению темной энергии, наблюдая за галактиками и их явлениями.
4. Визуализация телескопа Джеймса Уэбба
Что мы собираемся спросить
В здравом смысле следующее десятилетие в физике не будет успешным, если через десять лет мы будем задавать те же самые вопросы без ответа. Будет намного лучше, когда мы получим желаемые ответы, но также и когда возникнут совершенно новые вопросы, потому что мы не можем рассчитывать на ситуацию, в которой физика скажет: «У меня больше нет вопросов», никогда.
