Wie kommt man aus der Sackgasse in der Physik heraus?
Der Teilchenbeschleuniger der nächsten Generation wird Milliarden von Dollar kosten. Es gibt Pläne, solche Geräte in Europa und China zu bauen, aber Wissenschaftler bezweifeln, ob dies sinnvoll ist. Vielleicht sollten wir nach einer neuen Art des Experimentierens und Forschens suchen, die zu einem Durchbruch in der Physik führt?
Das Standardmodell wurde mehrfach bestätigt, unter anderem am Large Hadron Collider (LHC), aber es erfüllt nicht alle Erwartungen der Physik. Es kann keine Geheimnisse wie die Existenz von dunkler Materie und dunkler Energie erklären oder warum sich die Schwerkraft so sehr von anderen fundamentalen Kräften unterscheidet.
In der Wissenschaft, die sich traditionell mit solchen Problemen befasst, gibt es einen Weg, diese Hypothesen zu bestätigen oder zu widerlegen. Erhebung zusätzlicher Daten - in diesem Fall von besseren Teleskopen und Mikroskopen und vielleicht von einem ganz neuen, noch größeren super Stoßstange das wird eine Chance schaffen, entdeckt zu werden supersymmetrische Teilchen.
Im Jahr 2012 kündigte das Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen Plan zum Bau eines riesigen Superzählers an. Geplant Elektron-Positron-Collider (CEPC) es hätte einen Umfang von etwa 100 km, fast das Vierfache des LHC (1). Als Reaktion darauf kündigte der Betreiber des LHC, d. h. CERN, im Jahr 2013 seinen Plan für ein neues Kollisionsgerät mit dem Namen Future Circular Collider (FCC).
1. Größenvergleich der geplanten Beschleuniger CEPC, FCC und LHC.
Wissenschaftler und Ingenieure fragen sich jedoch, ob diese Projekte die enorme Investition wert sind. Chen-Ning Yang, Nobelpreisträger für Teilchenphysik, kritisierte vor drei Jahren in seinem Blog die Suche nach Spuren der Supersymmetrie mittels neuer Supersymmetrie und nannte sie ein „Ratespiel“. Eine sehr teure Vermutung. Er wurde von vielen Wissenschaftlern in China bestätigt, und in Europa sprachen die Koryphäen der Wissenschaft im gleichen Geist über das FCC-Projekt.
Das teilte Sabine Hossenfelder, Physikerin am Institute for Advanced Study in Frankfurt, Gizmodo mit. -
Kritiker von Projekten zur Schaffung leistungsfähigerer Collider stellen fest, dass die Situation anders ist als zu der Zeit, als sie gebaut wurde. Es war damals bekannt, dass wir sogar gesucht haben Moor Higgs. Jetzt sind die Ziele weniger definiert. Und das Schweigen in den Ergebnissen der Experimente, die mit dem Large Hadron Collider durchgeführt wurden, der für die Higgs-Entdeckung aufgerüstet wurde – ohne bahnbrechende Ergebnisse seit 2012 – ist etwas bedrohlich.
Darüber hinaus gibt es eine bekannte, aber vielleicht nicht universelle Tatsache Alles, was wir über die Ergebnisse der Experimente am LHC wissen, stammt aus der Analyse von nur etwa 0,003 % der damals gewonnenen Daten. Wir konnten einfach nicht mehr verarbeiten. Es ist nicht auszuschließen, dass die Antworten auf die großen Fragen der Physik, die uns heimsuchen, bereits zu 99,997 % nicht berücksichtigt sind. Vielleicht müssen Sie also nicht so sehr eine weitere große und teure Maschine bauen, sondern einen Weg finden, viel mehr Informationen zu analysieren?
Eine Überlegung wert, zumal die Physiker hoffen, noch mehr aus dem Auto herauszuholen. Eine zweijährige (sogenannte) Ausfallzeit, die vor kurzem begonnen hat, wird den Collider bis 2021 inaktiv halten, um Wartungsarbeiten zu ermöglichen (2). Es wird dann mit ähnlichen oder etwas höheren Energien in Betrieb gehen, bevor es 2023 einer umfassenden Modernisierung unterzogen wird, deren Fertigstellung für 2026 geplant ist.
Dieses Upgrade wird eine Milliarde Dollar kosten (billig im Vergleich zu den geplanten Kosten der FCC) und sein Ziel ist die Schaffung eines sogenannten. Hohe Leuchtkraft-LHC. Bis 2030 könnte sich die Zahl der Kollisionen, die ein Auto pro Sekunde produziert, verzehnfachen.
2. Reparaturarbeiten am LHC
es war ein Neutrino
Eines der Teilchen, das am LHC nicht nachgewiesen wurde, obwohl dies erwartet wurde, ist WIMP (-schwach wechselwirkende massive Teilchen). Dies sind hypothetische schwere Teilchen (von 10 GeV / s² bis zu mehreren TeV / s², während die Protonenmasse etwas weniger als 1 GeV / s² beträgt), die mit sichtbarer Materie mit einer Kraft wechselwirken, die mit der schwachen Wechselwirkung vergleichbar ist. Sie würden die mysteriöse mysteriöse Masse namens Dunkle Materie erklären, die im Universum fünfmal häufiger vorkommt als gewöhnliche Materie.
Am LHC wurden in diesen 0,003 % der experimentellen Daten keine WIMPs gefunden. Allerdings gibt es dafür günstigere Methoden – zum Beispiel. XENON-NT-Experiment (3), ein riesiger Bottich mit flüssigem Xenon tief unter der Erde in Italien, der gerade in das Forschungsnetz eingespeist wird. In einem weiteren riesigen Xenon-Behälter, LZ in South Dakota, wird die Suche bereits 2020 beginnen.
Ein weiteres Experiment, bestehend aus superempfindlichen ultrakalten Halbleiterdetektoren, wird aufgerufen SuperKDMS SNOLAB, wird Anfang 2020 mit dem Hochladen von Daten nach Ontario beginnen. Die Chancen, diese mysteriösen Partikel in den 20er Jahren des XNUMX. Jahrhunderts endlich zu „schießen“, steigen also.
Wimps sind nicht die einzigen Kandidaten für dunkle Materie, hinter denen Wissenschaftler her sind. Stattdessen können Experimente alternative Teilchen erzeugen, die als Axionen bezeichnet werden und nicht wie Neutrinos direkt beobachtet werden können.
Es ist sehr wahrscheinlich, dass das nächste Jahrzehnt den Entdeckungen im Zusammenhang mit Neutrinos gehören wird. Sie gehören zu den am häufigsten vorkommenden Teilchen im Universum. Gleichzeitig eine der am schwierigsten zu untersuchenden, da Neutrinos sehr schwach mit gewöhnlicher Materie wechselwirken.
Wissenschaftler wissen seit langem, dass dieses Teilchen aus drei separaten sogenannten Aromen und drei separaten Massenzuständen besteht – aber sie stimmen nicht genau mit Aromen überein, und jeder Geschmack ist aufgrund der Quantenmechanik eine Kombination aus drei Massenzuständen. Die Forscher hoffen, die genaue Bedeutung dieser Massen und die Reihenfolge herauszufinden, in der sie erscheinen, wenn sie kombiniert werden, um jeden Duft zu kreieren. Experimente wie z KATRIN in Deutschland müssen sie in den kommenden Jahren die zur Ermittlung dieser Werte notwendigen Daten erheben.
3. Modell des XENON-nT-Detektors
Neutrinos haben seltsame Eigenschaften. Wenn sie zum Beispiel im Weltraum reisen, scheinen sie zwischen den Geschmäckern zu oszillieren. Experten aus Unterirdisches Neutrino-Observatorium Jiangmen in China, das voraussichtlich nächstes Jahr mit der Sammlung von Daten über Neutrinos beginnen wird, die von nahe gelegenen Kernkraftwerken emittiert werden.
Es gibt ein Projekt dieser Art Super Kamiokande, Beobachtungen in Japan laufen schon seit langem. Die USA haben mit dem Bau eigener Neutrino-Teststellen begonnen. LBNF in Illinois und ein Experiment mit Neutrinos in der Tiefe DUNE in South Dakota.
Das von mehreren Ländern finanzierte LBNF/DUNE-Projekt in Höhe von 1,5 Milliarden US-Dollar soll 2024 beginnen und bis 2027 vollständig betriebsbereit sein. Andere Experimente, die entwickelt wurden, um die Geheimnisse des Neutrinos zu entschlüsseln, umfassen ALLEE, am Oak Ridge National Laboratory in Tennessee und kurzes Basis-Neutrinoprogramm, in Fermilab, Illinois.
Im Gegenzug im Projekt Legende-200, Die Eröffnung ist für 2021 geplant und ein Phänomen, das als neutrinoloser doppelter Beta-Zerfall bekannt ist, wird untersucht. Es wird angenommen, dass zwei Neutronen aus dem Kern eines Atoms gleichzeitig in Protonen zerfallen, die jeweils ein Elektron ausstoßen und , kommt mit einem anderen Neutrino in Kontakt und annihiliert.
Wenn es eine solche Reaktion gäbe, würde dies den Beweis liefern, dass Neutrinos ihre eigene Antimaterie sind, was indirekt eine andere Theorie über das frühe Universum bestätigen würde – die erklären würde, warum es mehr Materie als Antimaterie gibt.
Physiker wollen auch endlich der mysteriösen dunklen Energie auf den Grund gehen, die ins Weltall sickert und das Universum expandieren lässt. Spektroskopie der dunklen Energie Das Tool (DESI) hat erst letztes Jahr seine Arbeit aufgenommen und soll 2020 auf den Markt kommen. Großes synoptisches Übersichtsteleskop in Chile, das von der National Science Foundation/Department of Energy pilotiert wird, soll 2022 ein vollwertiges Forschungsprogramm mit dieser Ausrüstung beginnen.
С другой стороны (4), das dazu bestimmt war, das Ereignis des ausgehenden Jahrzehnts zu werden, wird schließlich zum Helden des zwanzigsten Jahrestages. Zusätzlich zu den geplanten Suchen wird es durch die Beobachtung von Galaxien und ihren Phänomenen zur Erforschung der Dunklen Energie beitragen.
4. Visualisierung des James-Webb-Teleskops
Was werden wir fragen
Im gesunden Menschenverstand wird das nächste Jahrzehnt in der Physik nicht erfolgreich sein, wenn wir in zehn Jahren dieselben unbeantworteten Fragen stellen. Es wird viel besser, wenn wir die gewünschten Antworten bekommen, aber auch, wenn ganz neue Fragen auftauchen, weil wir nicht damit rechnen können, dass die Physik jemals sagt: „Ich habe keine Fragen mehr“.
