Làm thế nào để thoát ra khỏi sự bế tắc trong vật lý?
Máy va chạm hạt thế hệ tiếp theo sẽ tiêu tốn hàng tỷ đô la. Có kế hoạch chế tạo các thiết bị như vậy ở châu Âu và Trung Quốc, nhưng các nhà khoa học đặt câu hỏi liệu điều này có hợp lý hay không. Có lẽ chúng ta nên tìm kiếm một phương pháp thử nghiệm và nghiên cứu mới sẽ dẫn đến bước đột phá trong vật lý?
Mô hình Chuẩn đã được xác nhận nhiều lần, bao gồm cả ở Máy va chạm Hadron Lớn (LHC), nhưng nó không đáp ứng được tất cả các kỳ vọng của vật lý học. Nó không thể giải thích những bí ẩn như sự tồn tại của vật chất tối và năng lượng tối, hay tại sao lực hấp dẫn lại khác xa với các lực cơ bản khác.
Trong khoa học truyền thống giải quyết những vấn đề như vậy, có một cách để xác nhận hoặc bác bỏ những giả thuyết này. thu thập dữ liệu bổ sung - trong trường hợp này, từ kính viễn vọng và kính hiển vi tốt hơn, và có thể từ một kính hiển vi hoàn toàn mới, thậm chí lớn hơn siêu bội điều đó sẽ tạo cơ hội được khám phá hạt siêu đối xứng.
Năm 2012, Viện Vật lý Năng lượng Cao thuộc Viện Khoa học Trung Quốc đã công bố kế hoạch xây dựng một siêu máy đếm tiền khổng lồ. Có kế hoạch Máy va chạm Electron Positron (CEPC) nó sẽ có chu vi khoảng 100 km, gần gấp bốn lần chu vi của LHC (1). Đáp lại, vào năm 2013, nhà điều hành LHC, tức là CERN, đã công bố kế hoạch về một thiết bị va chạm mới có tên Máy va chạm hình tròn trong tương lai (FCC).
1. So sánh kích thước của các máy gia tốc CEPC, FCC và LHC được lên kế hoạch.
Tuy nhiên, các nhà khoa học và kỹ sư đang băn khoăn liệu những dự án này có xứng đáng với khoản đầu tư khổng lồ hay không. Chen-Ning Yang, người đoạt giải Nobel vật lý hạt, đã chỉ trích việc tìm kiếm dấu vết của siêu đối xứng bằng cách sử dụng siêu đối xứng mới cách đây ba năm trên blog của mình, gọi đó là "trò chơi đoán". Một phỏng đoán rất đắt. Ông được nhiều nhà khoa học ở Trung Quốc, và ở châu Âu, các nhà khoa học phát biểu với tinh thần tương tự về dự án FCC.
Điều này đã được báo cáo với Gizmodo bởi Sabina Hossenfelder, một nhà vật lý tại Viện Nghiên cứu Cao cấp ở Frankfurt. -
Những người chỉ trích dự án tạo ra nhiều máy va chạm mạnh hơn lưu ý rằng tình hình đã khác so với khi nó được xây dựng. Vào thời điểm đó, chúng tôi đã biết rằng chúng tôi thậm chí đang tìm kiếm Bogs Higgs. Bây giờ các mục tiêu ít được xác định hơn. Và sự im lặng trong kết quả của các thí nghiệm do Máy va chạm Hadron Lớn tiến hành được nâng cấp để phù hợp với việc khám phá ra hạt Higgs - không có phát hiện đột phá nào kể từ năm 2012 - là phần nào đáng ngại.
Ngoài ra, có một sự thật nổi tiếng nhưng có lẽ không phổ biến là mọi thứ chúng ta biết về kết quả thí nghiệm tại LHC chỉ đến từ việc phân tích khoảng 0,003% dữ liệu thu được khi đó. Chúng tôi chỉ không thể xử lý nhiều hơn. Không thể loại trừ rằng câu trả lời cho những câu hỏi lớn của vật lý ám ảnh chúng ta đã nằm trong 99,997% mà chúng ta chưa tính đến. Vì vậy, có thể bạn không cần quá nhiều để xây dựng một cỗ máy lớn và đắt tiền khác mà phải tìm cách phân tích nhiều thông tin hơn?
Nó đáng được xem xét, đặc biệt là vì các nhà vật lý hy vọng sẽ tiết kiệm được nhiều hơn nữa từ chiếc xe. Thời gian ngừng hoạt động hai năm (được gọi là) bắt đầu gần đây sẽ giữ cho máy va chạm không hoạt động cho đến năm 2021, cho phép bảo trì (2). Sau đó, nó sẽ bắt đầu hoạt động ở mức năng lượng tương tự hoặc cao hơn một chút, trước khi trải qua một đợt nâng cấp lớn vào năm 2023, dự kiến hoàn thành vào năm 2026.
Quá trình hiện đại hóa này sẽ tiêu tốn một tỷ đô la (rẻ so với chi phí dự kiến của FCC), và mục tiêu của nó là tạo ra cái gọi là. Độ sáng cao-LHC. Đến năm 2030, con số này có thể tăng gấp XNUMX lần số vụ va chạm mà một chiếc ô tô tạo ra mỗi giây.
2. Công việc sửa chữa trên LHC
nó là một neutrino
Một trong những hạt không được phát hiện tại LHC, mặc dù nó được cho là Tiện ích mở rộng WIMP (-các hạt khối lượng lớn tương tác yếu). Đây là những hạt nặng giả định (từ 10 GeV / s² đến vài TeV / s², trong khi khối lượng proton nhỏ hơn một chút so với 1 GeV / s²) tương tác với vật chất nhìn thấy với một lực tương đương với lực tương tác yếu. Họ sẽ giải thích một khối lượng bí ẩn được gọi là vật chất tối, là vật chất phổ biến trong vũ trụ gấp XNUMX lần vật chất thông thường.
Tại LHC, không có WIMP nào được tìm thấy trong 0,003% dữ liệu thử nghiệm này. Tuy nhiên, có những phương pháp rẻ hơn cho việc này - chẳng hạn. Thử nghiệm XENON-NT (3), một thùng xenon lỏng khổng lồ nằm sâu dưới lòng đất ở Ý và đang trong quá trình được đưa vào mạng lưới nghiên cứu. Trong một thùng xenon khổng lồ khác, LZ ở Nam Dakota, cuộc tìm kiếm sẽ bắt đầu sớm nhất là vào năm 2020.
Một thí nghiệm khác, bao gồm các máy dò bán dẫn siêu nhạy siêu nhạy, được gọi là SuperKDMS SNOLAB, sẽ bắt đầu tải dữ liệu lên Ontario vào đầu năm 2020. Vì vậy, cơ hội cuối cùng "bắn" những hạt bí ẩn này vào những năm 20 của thế kỷ XNUMX đang tăng lên.
Cây lau không phải là ứng cử viên vật chất tối duy nhất mà các nhà khoa học đang theo đuổi. Thay vào đó, các thí nghiệm có thể tạo ra các hạt thay thế được gọi là axion mà không thể quan sát trực tiếp như neutrino.
Rất có thể thập kỷ tới sẽ thuộc về những khám phá liên quan đến neutrino. Chúng là một trong những hạt phổ biến nhất trong vũ trụ. Đồng thời, một trong những thứ khó nghiên cứu nhất, vì neutrino tương tác rất yếu với vật chất thông thường.
Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng hạt này được tạo thành từ ba cái gọi là hương vị riêng biệt và ba trạng thái khối lượng riêng biệt - nhưng chúng không khớp chính xác với các hương vị và mỗi hương vị là sự kết hợp của ba trạng thái khối lượng do cơ học lượng tử. Các nhà nghiên cứu hy vọng tìm ra ý nghĩa chính xác của những khối lượng này và thứ tự xuất hiện khi chúng được kết hợp để tạo ra từng loại nước hoa. Thí nghiệm như KATHERINE ở Đức, họ phải thu thập dữ liệu cần thiết để xác định các giá trị này trong những năm tới.
3. Mô hình máy dò XENON-nT
Neutrino có những đặc tính kỳ lạ. Ví dụ như du hành trong không gian, chúng dường như dao động giữa các thị hiếu. Các chuyên gia từ Đài quan sát Neutrino dưới lòng đất Giang Môn ở Trung Quốc, dự kiến sẽ bắt đầu thu thập dữ liệu về hạt neutrino phát ra từ các nhà máy điện hạt nhân gần đó vào năm tới.
Có một dự án kiểu này Super-Kamiokande, quan sát ở Nhật Bản đã diễn ra trong một thời gian dài. Mỹ đã bắt đầu xây dựng các địa điểm thử nghiệm neutrino của riêng mình. LBNF ở Illinois và một thí nghiệm với neutrino ở độ sâu DUNES ở Nam Dakota.
Dự án LBNF / DUNE do nhiều quốc gia tài trợ 1,5 tỷ đô la dự kiến sẽ bắt đầu vào năm 2024 và đi vào hoạt động hoàn toàn vào năm 2027. Các thí nghiệm khác được thiết kế để mở khóa bí mật của neutrino bao gồm AVENUE, tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge ở Tennessee, và chương trình neutrino cơ sở ngắn, ở Fermilab, Illinois.
Đến lượt mình, trong dự án Legend-200, Dự kiến khai trương vào năm 2021, một hiện tượng được gọi là phân rã beta kép không neutrino sẽ được nghiên cứu. Giả thiết rằng hai nơtron từ hạt nhân nguyên tử đồng thời phân rã thành proton, mỗi nơtron phóng ra một điện tử và , tiếp xúc với một neutrino khác và tiêu diệt.
Nếu phản ứng như vậy tồn tại, nó sẽ cung cấp bằng chứng rằng neutrino là phản vật chất của chính chúng, gián tiếp xác nhận một lý thuyết khác về vũ trụ sơ khai - giải thích tại sao có nhiều vật chất hơn phản vật chất.
Các nhà vật lý cuối cùng cũng muốn xem xét năng lượng tối bí ẩn xâm nhập vào không gian và khiến vũ trụ giãn nở. Quang phổ năng lượng tối Công cụ này (DESI) chỉ mới bắt đầu hoạt động vào năm ngoái và dự kiến sẽ ra mắt vào năm 2020. Kính thiên văn khảo sát khái quát lớn ở Chile, được tổ chức thí điểm bởi Quỹ Khoa học Quốc gia / Bộ Năng lượng, một chương trình nghiên cứu chính thức sử dụng thiết bị này sẽ bắt đầu vào năm 2022.
С другой стороны (4), đã được định sẵn để trở thành sự kiện của thập kỷ đã qua, cuối cùng sẽ trở thành anh hùng của kỷ niệm hai mươi năm. Ngoài các cuộc tìm kiếm theo kế hoạch, nó sẽ góp phần vào việc nghiên cứu năng lượng tối bằng cách quan sát các thiên hà và các hiện tượng của chúng.
4. Hình dung về Kính viễn vọng James Webb
Chúng ta sẽ hỏi gì
Theo lẽ thường, thập kỷ tới trong lĩnh vực vật lý sẽ không thể thành công nếu mười năm nữa chúng ta đặt ra những câu hỏi chưa được trả lời giống nhau. Sẽ tốt hơn nhiều khi chúng ta nhận được câu trả lời mình muốn, nhưng cũng có thể xảy ra khi những câu hỏi hoàn toàn mới xuất hiện, bởi vì chúng ta không thể tin tưởng vào một tình huống mà vật lý sẽ nói, "Tôi không còn câu hỏi nào nữa".
