Sut i dorri'r cyfyngder mewn ffiseg?

Bydd y peiriant gwrthdrawiad gronynnau cenhedlaeth nesaf yn costio biliynau o ddoleri. Mae cynlluniau i adeiladu dyfeisiau o'r fath yn Ewrop a Tsieina, ond mae gwyddonwyr yn amau ​​a yw hyn yn gwneud synnwyr. Efallai y dylem chwilio am ffordd newydd o arbrofi ac ymchwilio a fydd yn arwain at ddatblygiad arloesol mewn ffiseg? 

Mae'r Model Safonol wedi'i gadarnhau dro ar ôl tro, gan gynnwys yn y Peiriant Gwrthdaro Hadron Mawr (LHC), ond nid yw'n bodloni holl ddisgwyliadau ffiseg. Ni all esbonio dirgelion fel bodolaeth mater tywyll ac egni tywyll, na pham mae disgyrchiant mor wahanol i rymoedd sylfaenol eraill.

Mewn gwyddoniaeth yn draddodiadol delio â phroblemau o'r fath, mae ffordd i gadarnhau neu wrthbrofi'r damcaniaethau hyn. casglu data ychwanegol - yn yr achos hwn, o well telesgopau a microsgopau, ac efallai o gwbl newydd, hyd yn oed yn fwy bumper super bydd hynny'n creu cyfle i gael ei ddarganfod gronynnau supersymmetric.

Yn 2012, cyhoeddodd Sefydliad Ffiseg Ynni Uchel yr Academi Gwyddorau Tsieineaidd gynllun i adeiladu cownter enfawr. Wedi'i gynllunio Gwrthdarwr Positron Electron (CEPC) byddai ganddo gylchedd o tua 100 km, bron bedair gwaith yn fwy na'r LHC (1). Mewn ymateb, yn 2013, cyhoeddodd gweithredwr yr LHC, h.y. CERN, ei gynllun ar gyfer dyfais gwrthdrawiad newydd o'r enw Gwrthdarwr Cylchol yn y Dyfodol (FCC).

1. Cymhariaeth maint y cyflymyddion CEPC, FCC a LHC arfaethedig.

Fodd bynnag, mae gwyddonwyr a pheirianwyr yn meddwl tybed a fydd y prosiectau hyn yn werth y buddsoddiad enfawr. Beirniadodd Chen-Ning Yang, enillydd Gwobr Nobel mewn ffiseg gronynnau, y chwiliad am olion uwchgymesuredd gan ddefnyddio uwchgymesuredd newydd dair blynedd yn ôl ar ei flog, gan ei alw'n "gêm ddyfalu." Dyfaliad drud iawn. Cafodd ei adleisio gan lawer o wyddonwyr yn Tsieina, ac yn Ewrop, siaradodd enwogion gwyddoniaeth yn yr un ysbryd am brosiect Cyngor Sir y Fflint.

Adroddwyd hyn i Gizmodo gan Sabine Hossenfelder, ffisegydd yn y Sefydliad Astudio Uwch yn Frankfurt. -

Mae beirniaid prosiectau i greu gwrthdrawiadau mwy pwerus yn nodi bod y sefyllfa'n wahanol i'r adeg y cafodd ei hadeiladu. Roedd yn hysbys ar y pryd ein bod hyd yn oed yn chwilio amdano Higgs boson. Nawr mae'r nodau'n llai diffiniedig. Ac mae'r distawrwydd yng nghanlyniadau arbrofion a gynhaliwyd gan y Peiriant Gwrthdaro Hadron Mawr a uwchraddiwyd i ddarparu ar gyfer darganfyddiad Higgs - heb unrhyw ganfyddiadau arloesol ers 2012 - braidd yn fygythiol.

Yn ogystal, mae ffaith adnabyddus, ond efallai nad yw'n gyffredinol, hynny daw popeth a wyddom am ganlyniadau arbrofion yn yr LHC o ddadansoddiad o ddim ond tua 0,003% o'r data a gafwyd bryd hynny. Ni allem drin mwy. Ni ellir diystyru bod yr atebion i gwestiynau mawr ffiseg sy'n ein poeni eisoes yn y 99,997% nad ydym wedi'i ystyried. Felly efallai nad oes angen cymaint arnoch i adeiladu peiriant mawr a drud arall, ond i ddod o hyd i ffordd i ddadansoddi llawer mwy o wybodaeth?

Mae'n werth ei ystyried, yn enwedig gan fod ffisegwyr yn gobeithio gwasgu hyd yn oed yn fwy allan o'r peiriant. Bydd amser segur o ddwy flynedd (fel y'i gelwir) a ddechreuodd yn ddiweddar yn cadw'r gwrthdrawiadwr yn anactif tan 2021, gan ganiatáu ar gyfer cynnal a chadw (2). Yna bydd yn dechrau gweithredu ar ynni tebyg neu ychydig yn uwch, cyn cael ei uwchraddio'n sylweddol yn 2023, a disgwylir ei gwblhau yn 2026.

Bydd yr uwchraddiad hwn yn costio biliwn o ddoleri (rhad o'i gymharu â chost arfaethedig yr FCC), a'i nod yw creu hyn a elwir. Goleuedd Uchel-LHC. Erbyn 2030, gallai hyn gynyddu ddeg gwaith yn fwy na nifer y gwrthdrawiadau y mae car yn eu cynhyrchu bob eiliad.

2. Gwaith atgyweirio ar yr LHC

neutrino ydoedd

Un o'r gronynnau na chafodd ei ganfod yn yr LHC, er y disgwylid iddo fod, yw WIMP (-gronynnau enfawr sy'n rhyngweithio'n wan). Mae'r rhain yn ronynnau trwm damcaniaethol (o 10 GeV / s² i sawl TeV / s², tra bod màs y proton ychydig yn llai nag 1 GeV / s²) yn rhyngweithio â mater gweladwy gyda grym sy'n debyg i'r rhyngweithio gwan. Byddent yn esbonio'r màs dirgel dirgel a elwir yn fater tywyll, sydd bum gwaith yn fwy cyffredin yn y bydysawd na mater cyffredin.

Yn yr LHC, ni chanfuwyd unrhyw WIMP yn y 0,003% hyn o'r data arbrofol. Fodd bynnag, mae dulliau rhatach ar gyfer hyn - er enghraifft. Arbrawf XENON-NT (3), swm enfawr o xenon hylif yn ddwfn o dan y ddaear yn yr Eidal ac yn y broses o gael ei fwydo i'r rhwydwaith ymchwil. Mewn cronfa enfawr arall o xenon, LZ yn Ne Dakota, bydd y chwiliad yn dechrau mor gynnar â 2020.

Gelwir arbrawf arall, sy'n cynnwys synwyryddion lled-ddargludyddion uwch-oer hynod sensitif SuperKDMS SNOLAB, yn dechrau uwchlwytho data i Ontario yn gynnar yn 2020. Felly mae'r siawns o “saethu” y gronynnau dirgel hyn o'r diwedd yn 20au'r XNUMXfed ganrif yn cynyddu.

Nid wimps yw'r unig fater tywyll y mae gwyddonwyr yn chwilio amdano. Yn lle hynny, gall arbrofion gynhyrchu gronynnau amgen o'r enw echelinau na ellir eu harsylwi'n uniongyrchol fel niwtrinos.

Mae'n debygol iawn y bydd y degawd nesaf yn perthyn i ddarganfyddiadau sy'n ymwneud â niwtrinos. Maent ymhlith y gronynnau mwyaf cyffredin yn y bydysawd. Ar yr un pryd, un o'r rhai anoddaf i'w astudio, oherwydd bod niwtrinos yn rhyngweithio'n wan iawn â mater cyffredin.

Mae gwyddonwyr wedi gwybod ers tro bod y gronyn hwn yn cynnwys tri blas ar wahân fel y'u gelwir a thri chyflwr màs ar wahân - ond nid ydynt yn cyfateb yn union i flasau, ac mae pob blas yn gyfuniad o dri chyflwr màs oherwydd mecaneg cwantwm. Mae'r ymchwilwyr yn gobeithio darganfod union ystyr y masau hyn a'r drefn y maent yn ymddangos pan fyddant yn cael eu cyfuno i greu pob persawr. Mae arbrofion fel KATRIN yn yr Almaen, rhaid iddynt gasglu'r data angenrheidiol i bennu'r gwerthoedd hyn yn y blynyddoedd i ddod.

3. Model synhwyrydd XENON-nT

Mae gan niwtrinos briodweddau rhyfedd. Wrth deithio yn y gofod, er enghraifft, mae'n ymddangos eu bod yn pendilio rhwng chwaeth. Arbenigwyr o Arsyllfa Niwtrino Tanddaearol Jiangmen yn Tsieina, y disgwylir iddo ddechrau casglu data ar niwtrinos a allyrrir o orsafoedd ynni niwclear cyfagos y flwyddyn nesaf.

Mae yna brosiect o'r math hwn Super Kamiokande, mae arsylwadau yn Japan wedi bod yn digwydd ers amser maith. Mae'r Unol Daleithiau wedi dechrau adeiladu ei safleoedd prawf niwtrino ei hun. LBNF yn Illinois ac arbrawf manwl gyda niwtrinos DYN yn Ne Dakota.

Disgwylir i'r prosiect LBNF / DUNE a ariennir gan aml-wlad $1,5 biliwn ddechrau yn 2024 a bod yn gwbl weithredol erbyn 2027. Mae arbrofion eraill a gynlluniwyd i ddatgloi cyfrinachau'r niwtrino yn cynnwys AVENUE, yn Labordy Cenedlaethol Oak Ridge yn Tennessee, a rhaglen neutrino llinell sylfaen fer, yn Fermilab, Illinois.

Yn ei dro, yn y prosiect Chwedl-200, Wedi'i drefnu i agor yn 2021, bydd ffenomen a elwir yn bydredd beta dwbl niwtrinoless yn cael ei hastudio. Tybir bod dau niwtron o gnewyllyn atom ar yr un pryd yn dadfeilio i mewn i brotonau, gyda phob un ohonynt yn alldaflu electron a , yn dod i gysylltiad â niwtrino arall ac yn dinistrio.

Pe bai adwaith o'r fath yn bodoli, byddai'n darparu tystiolaeth mai eu gwrthfater eu hunain yw niwtrinos, gan gadarnhau'n anuniongyrchol ddamcaniaeth arall am y bydysawd cynnar - gan egluro pam fod mwy o fater na gwrthfater.

Mae ffisegwyr hefyd eisiau astudio o'r diwedd yr egni tywyll dirgel sy'n treiddio i'r gofod ac yn arwain at ehangu'r bydysawd. Sbectrosgopeg egni tywyll Dim ond y llynedd y dechreuodd yr offeryn (DESI) weithio a disgwylir iddo gael ei lansio yn 2020. Telesgop Arolwg Synoptig Mawr yn Chile, a dreialwyd gan y Sefydliad Gwyddoniaeth Cenedlaethol/Adran Ynni, dylai rhaglen ymchwil lawn sy'n defnyddio'r offer hwn ddechrau yn 2022.

С другой стороны (4), a oedd i fod i ddod yn ddigwyddiad y degawd sy'n mynd allan, yn y pen draw yn dod yn arwr yr ugeinfed pen-blwydd. Yn ogystal â'r chwiliadau a gynlluniwyd, bydd yn cyfrannu at yr astudiaeth o ynni tywyll trwy arsylwi galaethau a'u ffenomenau.

4. Delweddu Telesgop James Webb

Beth ydym yn mynd i ofyn

Mewn synnwyr cyffredin, ni fydd y degawd nesaf mewn ffiseg yn llwyddiannus os deng mlynedd o nawr rydym yn gofyn yr un cwestiynau heb eu hateb. Bydd yn llawer gwell pan gawn yr atebion a ddymunwn, ond hefyd pan gyfyd cwestiynau cwbl newydd, oherwydd ni allwn gyfrif ar sefyllfa lle bydd ffiseg yn dweud, "Nid oes gennyf fwy o gwestiynau," byth.