Com sortir de l'atzucac de la física?

El col·lisionador de partícules de pròxima generació costarà milers de milions de dòlars. Hi ha plans per construir aquests dispositius a Europa i la Xina, però els científics es pregunten si això té sentit. Potser hauríem de buscar una nova manera d'experimentar i investigar que condueixi a un avenç en la física? 

El model estàndard s'ha confirmat repetidament, fins i tot al Gran Col·lisionador d'Hadrons (LHC), però no compleix totes les expectatives de la física. No pot explicar misteris com l'existència de la matèria fosca i l'energia fosca, o per què la gravetat és tan diferent d'altres forces fonamentals.

En la ciència que tradicionalment tracta aquests problemes, hi ha una manera de confirmar o refutar aquestes hipòtesis. recollida de dades addicionals - en aquest cas, de millors telescopis i microscopis, i potser d'un completament nou, encara més gran super para-xocs que crearà una oportunitat per ser descobert partícules supersimètriques.

El 2012, l'Institut de Física d'Altes Energies de l'Acadèmia Xinesa de Ciències va anunciar un pla per construir un súper comptador gegant. Planificada Col·lisionador d'electrons de positrons (CEPC) tindria una circumferència d'uns 100 km, gairebé quatre vegades la de l'LHC (1). En resposta, el 2013, l'operador de l'LHC, és a dir, el CERN, va anunciar el seu pla per a un nou dispositiu de col·lisió anomenat Futur colisionador circular (FCC).

1. Comparació de mides dels acceleradors CEPC, FCC i LHC previstos.

Tanmateix, els científics i els enginyers es pregunten si aquests projectes valdran la pena la gran inversió. Chen-Ning Yang, un premi Nobel de física de partícules, va criticar la recerca de rastres de supersimetria utilitzant la nova supersimetria fa tres anys al seu bloc, anomenant-ho un "joc d'endevinalles". Una suposició molt cara. Se'n va fer ressò molts científics a la Xina, i a Europa, les lluminàries de la ciència van parlar amb el mateix esperit del projecte FCC.

Així ho va informar a Gizmodo Sabine Hossenfelder, física de l'Institut d'Estudis Avançats de Frankfurt. -

Els crítics dels projectes per crear col·lisionadors més potents assenyalen que la situació és diferent de quan es va construir. Aleshores se sabia que fins i tot buscàvem Bogs Higgs. Ara els objectius estan menys definits. I el silenci en els resultats dels experiments realitzats pel Gran Col·lisionador d'Hadrons actualitzat per adaptar-se al descobriment de Higgs, sense troballes innovadores des del 2012, és una mica nefast.

A més, hi ha un fet conegut, però potser no universal, que tot el que sabem sobre els resultats dels experiments a l'LHC prové de l'anàlisi de només un 0,003% de les dades obtingudes aleshores. Simplement no podríem suportar més. No es pot descartar que les respostes a les grans preguntes de la física que ens persegueixen estiguin ja en el 99,997% que no hem considerat. Així que potser no necessiteu tant per construir una altra màquina gran i cara, sinó trobar una manera d'analitzar molta més informació?

Val la pena tenir-ho en compte, sobretot perquè els físics esperen extreure encara més la màquina. Un temps d'inactivitat de dos anys (l'anomenat) que va començar recentment mantindrà el col·lisionador inactiu fins al 2021, permetent el manteniment (2). Després començarà a funcionar a energies similars o una mica més altes, abans de patir una actualització important el 2023, amb la finalització prevista per al 2026.

Aquesta modernització costarà mil milions de dòlars (barat en comparació amb el cost previst de la FCC), i el seu objectiu és crear un anomenat. Alta lluminositat-LHC. El 2030, això podria multiplicar per deu el nombre de col·lisions que produeix un cotxe per segon.

2. Treballs de reparació de l'LHC

era un neutrins

Una de les partícules que no es va detectar a l'LHC, tot i que s'esperava que ho fos, sí Wimp (-partícules massives que interaccionen dèbilment). Es tracta de hipotètiques partícules pesades (des de 10 GeV/s² fins a diversos TeV/s², mentre que la massa del protó és lleugerament inferior a 1 GeV/s²) que interaccionen amb la matèria visible amb una força comparable a la interacció feble. Explicarien una massa misteriosa anomenada matèria fosca, que és cinc vegades més freqüent a l'univers que la matèria ordinària.

A l'LHC, no es van trobar WIMP en aquest 0,003% de les dades experimentals. Tanmateix, hi ha mètodes més barats per a això, per exemple. Experiment XENON-NT (3), una enorme cuba de xenó líquid sota terra a Itàlia i en procés d'introduir-se a la xarxa de recerca. En una altra enorme cuba de xenó, LZ a Dakota del Sud, la recerca començarà el 2020.

Un altre experiment, que consisteix en detectors de semiconductors ultrafreds supersensibles, es diu SuperKDMS SNOLAB, començarà a penjar dades a Ontario a principis del 2020. Així que les possibilitats de "disparar" finalment aquestes misterioses partícules als anys 20 del segle XIX augmenten.

Els wimps no són els únics candidats a la matèria fosca que busquen els científics. En canvi, els experiments poden produir partícules alternatives anomenades axions que no es poden observar directament com els neutrins.

És molt probable que la propera dècada pertanyi als descobriments relacionats amb els neutrins. Es troben entre les partícules més abundants de l'univers. Al mateix temps, un dels més difícils d'estudiar, perquè els neutrins interactuen molt feblement amb la matèria ordinària.

Els científics saben des de fa temps que aquesta partícula està formada per tres anomenats sabors separats i tres estats de massa separats, però no coincideixen exactament amb els sabors, i cada sabor és una combinació de tres estats de massa a causa de la mecànica quàntica. Els investigadors esperen esbrinar el significat exacte d'aquestes masses i l'ordre en què apareixen quan es combinen per crear cada fragància. Experiments com ara CATHERINE a Alemanya, han de recollir les dades necessàries per determinar aquests valors en els propers anys.

3. Model detector XENON-nT

Els neutrins tenen propietats estranyes. Viatjant per l'espai, per exemple, sembla que oscil·lin entre gustos. Experts de Observatori subterrani de neutrins de Jiangmen a la Xina, que s'espera que comenci a recollir dades sobre neutrins emesos per les centrals nuclears properes l'any vinent.

Hi ha un projecte d'aquest tipus Super-Kamiokande, les observacions al Japó fa molt de temps que es fan. Els Estats Units han començat a construir els seus propis llocs de proves de neutrins. LBNF a Illinois i un experiment amb neutrins en profunditat DUNE a Dakota del Sud.

Es preveu que el projecte LBNF/DUNE, finançat per diversos països, d'1,5 milions de dòlars, comenci el 2024 i estigui completament operatiu el 2027. Altres experiments dissenyats per descobrir els secrets del neutrin inclouen Avinguda, al Laboratori Nacional d'Oak Ridge a Tennessee i programa de neutrins de referència curta, a Fermilab, Illinois.

Al seu torn, en el projecte Llegenda-200, L'obertura prevista el 2021 s'estudiarà un fenomen conegut com a doble desintegració beta sense neutrins. Se suposa que dos neutrons del nucli d'un àtom es desintegren simultàniament en protons, cadascun dels quals expulsa un electró i , entra en contacte amb un altre neutrin i s'aniquila.

Si existís aquesta reacció, proporcionaria proves que els neutrins són la seva pròpia antimatèria, confirmant indirectament una altra teoria sobre l'univers primerenc, explicant per què hi ha més matèria que antimatèria.

Els físics també volen mirar finalment la misteriosa energia fosca que es filtra a l'espai i fa que l'univers s'expandeixi. Espectroscòpia d'energia fosca L'eina (DESI) només va començar a funcionar l'any passat i es preveu que es llançarà el 2020. Gran telescopi d'exploració sinòptica a Xile, pilotat per la National Science Foundation/Departament of Energy, un programa de recerca complet amb aquest equip hauria de començar el 2022.

Per una altra banda (4), que estava destinat a convertir-se en l'esdeveniment de la dècada sortint, finalment es convertirà en l'heroi del vintè aniversari. A més de les recerques previstes, contribuirà a l'estudi de l'energia fosca observant les galàxies i els seus fenòmens.

4. Visualització del telescopi James Webb

Què anem a preguntar

En sentit comú, la propera dècada en física no tindrà èxit si d'aquí a deu anys ens fem les mateixes preguntes sense resposta. Serà molt millor quan aconseguim les respostes que volem, però també quan sorgeixin preguntes completament noves, perquè no podem comptar amb una situació en què la física digui: "No tinc més preguntes", mai.