Hoe kom je uit de impasse in de natuurkunde?

De deeltjesbotser van de volgende generatie zal miljarden dollars kosten. Er zijn plannen om dergelijke apparaten in Europa en China te bouwen, maar wetenschappers betwijfelen of dit zinvol is. Misschien kunnen we beter op zoek gaan naar een nieuwe manier van experimenteren en onderzoek die tot een doorbraak in de natuurkunde zal leiden? 

Het Standaardmodel is vele malen bevestigd, onder meer bij de Large Hadron Collider (LHC), maar voldoet niet aan alle verwachtingen van de natuurkunde. Het kan mysteries zoals het bestaan ​​van donkere materie en donkere energie niet verklaren, of waarom de zwaartekracht zo verschilt van andere fundamentele krachten.

In de wetenschap, die zich traditioneel met dergelijke problemen bezighoudt, bestaat er een manier om deze hypothesen te bevestigen of te weerleggen. het verzamelen van aanvullende gegevens - in dit geval van betere telescopen en microscopen, en misschien van een geheel nieuwe, nog grotere superbumper waardoor er een kans ontstaat om ontdekt te worden supersymmetrische deeltjes.

In 2012 kondigde het Institute of High Energy Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen een plan aan om een ​​gigantische supercounter te bouwen. Gepland Elektronen-positronenbotser (CEPC) het zou een omtrek hebben van ongeveer 100 km, bijna vier keer groter dan de LHC (1). Als reactie hierop kondigde de exploitant van de LHC, oftewel CERN, in 2013 zijn plan aan om een ​​nieuw botsingsapparaat te creëren genaamd Toekomstige Circulaire Collider (FCC).

1. Vergelijking van de afmetingen van de geplande versnellers CEPC, FCC en LHC.

Wetenschappers en ingenieurs vragen zich echter af of deze projecten de enorme investering waard zullen zijn. Chen-Ning Yang, Nobelprijswinnaar voor deeltjesfysica, bekritiseerde drie jaar geleden in een blogpost de zoektocht naar sporen van supersymmetrie met behulp van nieuwe supersymmetrie en noemde het een ‘raadspel’. Een hele dure gok. Hij werd herhaald door veel wetenschappers in China, en in Europa spraken wetenschappelijke grootheden in dezelfde geest over het FCC-project.

Dit werd aan Gizmodo gemeld door Sabine Hossenfelder, een natuurkundige aan het Institute for Advanced Study in Frankfurt. -

Critici van projecten om krachtigere botsers te bouwen, merken op dat de situatie anders is dan toen deze werd gebouwd. Op dat moment was bekend dat we er zelfs naar op zoek waren Het Higgsdeeltje. Nu zijn de doelen minder gedefinieerd. En de stilte in de resultaten van experimenten uitgevoerd door de Large Hadron Collider, opgewaardeerd voor de Higgs-ontdekking - terwijl er sinds 2012 geen enkele doorbraak is verschenen - is enigszins onheilspellend.

Daarnaast is er een bekend, maar misschien niet bij iedereen bekend feit dat alles wat we weten over de resultaten van de LHC-experimenten komt voort uit het analyseren van slechts ongeveer 0,003% van de toen verkregen gegevens. We konden het gewoon niet meer aan. Het kan niet worden uitgesloten dat de antwoorden op de grote vragen van de natuurkunde die ons achtervolgen al zijn opgenomen in de 99,997% die we niet hebben overwogen. Dus misschien heb je niet zozeer nodig om nog een grote, dure machine te bouwen, maar eerder om een ​​manier te vinden om veel meer informatie te analyseren?

Het is het overwegen waard, vooral omdat natuurkundigen nog meer uit de machine hopen te halen. De zogenaamde downtime van twee jaar die onlangs is begonnen, zal de botser tot 2021 inactief houden, waardoor onderhoud mogelijk is (2). Het zal dan beginnen te werken op vergelijkbare of iets hogere energieniveaus voordat het een grote upgrade ondergaat in 2023, met voltooiing gepland voor 2026.

Deze modernisering zal een miljard dollar kosten (goedkoop vergeleken met de geplande kosten van FKK), en het doel is om de zogenaamde. Hoge helderheid-LHC. Tegen 2030 zou dit het aantal botsingen dat een auto per seconde maakt, kunnen vertienvoudigen.

2. Reparatiewerkzaamheden aan de LHC

het was een neutrino

Eén van de deeltjes die bij de LHC niet werd gedetecteerd, hoewel wel werd gehoopt, is dat wel WIMP-extensie (- zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes). Dit zijn hypothetische zware deeltjes (van 10 GeV/s² tot verschillende TeV/s², met de massa van een proton iets minder dan 1 GeV/s²), die interageren met zichtbare materie met een kracht die vergelijkbaar is met de zwakke interactie. Ze zouden de mysterieuze mysterieuze massa verklaren die donkere materie wordt genoemd en die in het universum vijf keer vaker voorkomt dan gewone materie.

Bij de LHC werden in deze 0,003% van de experimentele data geen WIMP's gevonden. Hiervoor zijn echter goedkopere methoden - bijvoorbeeld. XENON-nT-experiment (3), een enorm vat met vloeibaar xenon diep onder de grond in Italië en dat momenteel in een onderzoeksnetwerk wordt ingevoerd. In een ander enorm vat xenon, LZ in South Dakota, zal de zoektocht in 2020 beginnen.

Een ander experiment, bestaande uit ultragevoelige ultrakoude halfgeleiderdetectoren, wordt genoemd SuperKDMS SNOLAB, zal begin 2020 beginnen met het downloaden van gegevens in Ontario. De kansen om deze mysterieuze deeltjes uiteindelijk in de jaren twintig te ‘vangen’ worden dus steeds groter.

Wimps zijn niet de enige kandidaten voor donkere materie waar wetenschappers naar op zoek zijn. In plaats daarvan kunnen experimenten alternatieve deeltjes produceren, axionen genaamd, die niet direct kunnen worden waargenomen zoals neutrino's.

Het is zeer waarschijnlijk dat het komende decennium zal worden gedomineerd door ontdekkingen met betrekking tot neutrino's. Ze behoren tot de meest voorkomende deeltjes in het heelal. Tegelijkertijd een van de moeilijkste om te bestuderen, omdat neutrino's zeer zwak interageren met gewone materie.

Wetenschappers weten al lang dat dit deeltje bestaat uit drie afzonderlijke zogenaamde smaken en drie afzonderlijke massatoestanden - maar ze komen niet precies overeen met smaken, en elke smaak is een combinatie van drie massatoestanden vanwege de kwantummechanica. De onderzoekers hopen de exacte betekenis van deze massa's te achterhalen en de volgorde waarin ze verschijnen wanneer ze worden gecombineerd om elke geur te creëren. Experimenten zoals CATHERINE in Duitsland moeten ze de komende jaren de gegevens verzamelen die nodig zijn om deze waarden te bepalen.

3. XENON-nT-detectormodel

Neutrino's hebben vreemde eigenschappen. Wanneer ze bijvoorbeeld in de ruimte reizen, lijken ze tussen smaken te schommelen. Deskundigen uit Jiangmen Ondergronds Neutrino-observatorium in China, dat naar verwachting volgend jaar zal beginnen met het verzamelen van gegevens over neutrino’s die worden uitgestoten door nabijgelegen kerncentrales.

Er bestaat een soortgelijk soort project Super Kamiokande, Waarnemingen in Japan worden al lange tijd uitgevoerd. De Verenigde Staten zijn begonnen met de bouw van hun eigen neutrinotestlocaties. LBNF in Illinois en het experiment met neutrino's op diepte DUIN in Zuid-Dakota.

Het door meerdere landen gefinancierde LBNF/DUNE-project ter waarde van 1,5 miljard dollar zal naar verwachting in 2024 van start gaan en in 2027 volledig operationeel zijn. Andere experimenten die zijn ontworpen om de geheimen van neutrino's te ontsluiten zijn onder meer LAAN, aan het Oak Ridge National Laboratory in Tennessee, en Neutrinoprogramma met korte basislijn, in Fermilab, Illinois.

Op zijn beurt in het project Legende-200, De opening staat gepland voor 2021 en zal een fenomeen bestuderen dat bekend staat als neutrinoloos dubbel bèta-verval. Er wordt aangenomen dat twee neutronen uit de kern van een atoom gelijktijdig vervallen tot protonen, die elk een elektron uitstoten en , komt in contact met een ander neutrino en annihileert.

Als zo'n reactie zou bestaan, zou dit het bewijs leveren dat neutrino's hun eigen antimaterie zijn, en daarmee indirect een andere theorie over het vroege heelal ondersteunen - die zou verklaren waarom er meer materie is dan antimaterie.

Natuurkundigen willen ook eindelijk de mysterieuze donkere energie bestuderen die de ruimte binnendringt en leidt tot de uitdijing van het heelal. Donkere energiespectroscopie De tool (DESI) is vorig jaar live gegaan en zal naar verwachting in 2020 live gaan. Grote synoptische onderzoekstelescoop in Chili, geleid door de National Science Foundation/Department of Energy – een volwaardig onderzoeksprogramma waarbij deze apparatuur wordt gebruikt, zou in 2022 van start moeten gaan.

Aan de andere kant (4), dat voorbestemd was om de gebeurtenis van het komende decennium te worden, zal uiteindelijk de held van het twintigste worden. Naast de geplande zoekopdrachten zal het bijdragen aan de studie van donkere energie door sterrenstelsels en hun verschijnselen te observeren.

4. Visualisatie van de James Webb-telescoop

Wat gaan we vragen

Het is gezond verstand dat het volgende decennium in de natuurkunde geen succes zal hebben als we over tien jaar dezelfde onbeantwoorde vragen stellen. Het zal veel beter zijn als we de antwoorden krijgen die we willen, maar ook als er compleet nieuwe vragen rijzen, omdat we niet kunnen rekenen op een situatie waarin de natuurkunde zegt: ‘Ik heb geen vragen meer’.