كيف تخرج من مأزق الفيزياء؟

سيكلف الجيل القادم من مصادم الجسيمات مليارات الدولارات. هناك خطط لبناء مثل هذه الأجهزة في أوروبا والصين ، لكن العلماء يتساءلون عما إذا كان ذلك منطقيًا. ربما يجب أن نبحث عن طريقة جديدة للتجربة والبحث تؤدي إلى طفرة في الفيزياء؟ 

تم تأكيد النموذج القياسي مرارًا وتكرارًا ، بما في ذلك في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) ، لكنه لا يلبي جميع توقعات الفيزياء. لا يمكنها تفسير الألغاز مثل وجود المادة المظلمة والطاقة المظلمة ، أو سبب اختلاف الجاذبية عن القوى الأساسية الأخرى.

في العلم الذي يتعامل تقليديًا مع مثل هذه المشكلات ، هناك طريقة لتأكيد أو دحض هذه الفرضيات. جمع بيانات إضافية - في هذه الحالة ، من أفضل التلسكوبات والمجاهر ، وربما من جديد تمامًا ، وحتى أكبر سوبر الوفير من شأنها أن تخلق فرصة لاكتشافها الجسيمات فائقة التناظر.

في عام 2012 ، أعلن معهد فيزياء الطاقة العالية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم عن خطة لبناء عداد عملاق فائق. مخطط مصادم الإلكترون البوزيترون (CEPC) سيكون محيطها حوالي 100 كيلومتر ، أي ما يقرب من أربعة أضعاف محيط المصادم LHC (1). رداً على ذلك ، في عام 2013 ، أعلن مشغل LHC ، أي CERN ، عن خطته لجهاز تصادم جديد يسمى المصادم الدائري المستقبلي (FCC).

1. مقارنة حجم مسرعات CEPC و FCC و LHC المخطط لها.

ومع ذلك ، يتساءل العلماء والمهندسون عما إذا كانت هذه المشاريع تستحق الاستثمار الضخم. انتقد تشين-نينج يانج ، الحائز على جائزة نوبل في فيزياء الجسيمات ، البحث عن آثار التناظر الفائق باستخدام التناظر الفائق الجديد قبل ثلاث سنوات على مدونته ، واصفًا ذلك بـ "لعبة التخمين". تخمين باهظ الثمن. رددها العديد من العلماء في الصين ، وفي أوروبا ، تحدث نجوم العلم بنفس الروح عن مشروع لجنة الاتصالات الفدرالية.

أبلغت سابين هوسينفيلدر ، عالمة الفيزياء في معهد الدراسات المتقدمة في فرانكفورت ، جيزمودو بذلك. -

يلاحظ منتقدو المشاريع لإنشاء مصادمات أكثر قوة أن الوضع يختلف عما كان عليه عندما تم بناؤه. كان معروفًا في ذلك الوقت أننا كنا نبحث حتى عن ذلك مستنقعات هيغز. الآن الأهداف أقل تحديدًا. والصمت في نتائج التجارب التي أجراها مصادم الهادرونات الكبير الذي تمت ترقيته لاستيعاب اكتشاف هيغز - مع عدم وجود نتائج اختراق منذ عام 2012 - أمر ينذر بالسوء إلى حد ما.

بالإضافة إلى ذلك ، هناك حقيقة معروفة ، ولكن ربما ليست عالمية ، هي كل ما نعرفه عن نتائج التجارب في LHC يأتي من تحليل حوالي 0,003٪ فقط من البيانات التي تم الحصول عليها في ذلك الوقت. لا يمكننا التعامل مع المزيد. لا يمكن استبعاد أن تكون الإجابات على الأسئلة العظيمة للفيزياء التي تطاردنا بالفعل في نسبة 99,997٪ التي لم نفكر فيها. لذلك ربما لا تحتاج إلى الكثير لبناء آلة أخرى كبيرة ومكلفة ، ولكن لإيجاد طريقة لتحليل المزيد من المعلومات؟

الأمر يستحق النظر ، خاصة وأن الفيزيائيين يأملون في زيادة الضغط خارج السيارة. فترة توقف لمدة عامين (ما يسمى) بدأت مؤخرًا ستبقي المصادم غير نشط حتى عام 2021 ، مما يسمح بالصيانة (2). سيبدأ بعد ذلك العمل في طاقات مماثلة أو أعلى إلى حد ما ، قبل الخضوع لترقية رئيسية في عام 2023 ، مع الانتهاء المقرر في عام 2026.

سيكلف هذا التحديث مليار دولار (رخيص مقارنة بالتكلفة المخططة لـ FCC) ، وهدفه هو إنشاء ما يسمى. لمعان عالي- LHC. بحلول عام 2030 ، يمكن أن يزيد هذا عشرة أضعاف عدد الاصطدامات التي تنتجها السيارة في الثانية.

2. إصلاح أعمال المصادم LHC

كان نيوترينو

أحد الجسيمات التي لم يتم اكتشافها في المصادم LHC ، على الرغم من أنه كان متوقعًا ، هو اهن (-ضعف التفاعل الجزيئات الضخمة). هذه جسيمات ثقيلة افتراضية (من 10 GeV / s² إلى عدة TeV / s² ، بينما تكون كتلة البروتون أقل بقليل من 1 GeV / s²) تتفاعل مع المادة المرئية بقوة مماثلة للتفاعل الضعيف. قد يفسرون كتلة غامضة تسمى المادة المظلمة ، وهي أكثر شيوعًا في الكون بخمس مرات من المادة العادية.

في LHC ، لم يتم العثور على WIMPs في 0,003٪ من البيانات التجريبية. ومع ذلك ، هناك طرق أرخص لهذا - على سبيل المثال. تجربة XENON-NT (3) ، وهو وعاء ضخم من الزينون السائل في أعماق الأرض في إيطاليا وفي طور إدخاله إلى شبكة البحث. في حوض آخر ضخم من الزينون ، LZ في ساوث داكوتا ، سيبدأ البحث في وقت مبكر من عام 2020.

تجربة أخرى ، تتكون من أجهزة الكشف عن أشباه الموصلات فائقة الحساسية للغاية ، تسمى SuperKDMS SNOLAB ، سيبدأ تحميل البيانات إلى أونتاريو في أوائل عام 2020. لذا فإن فرص "إطلاق" هذه الجسيمات الغامضة أخيرًا في العشرينات من القرن الحادي والعشرين تتزايد.

الجبناء ليسوا المادة المظلمة الوحيدة التي يسعى العلماء وراءها. بدلاً من ذلك ، يمكن أن تنتج التجارب جسيمات بديلة تسمى الأكسيونات لا يمكن ملاحظتها مباشرة مثل النيوترينوات.

من المحتمل جدًا أن العقد القادم سينتمي إلى الاكتشافات المتعلقة بالنيوترينوات. هم من بين الجسيمات الأكثر وفرة في الكون. في الوقت نفسه ، من أصعب الدراسة ، لأن النيوترينوات تتفاعل بشكل ضعيف جدًا مع المادة العادية.

لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن هذا الجسيم يتكون من ثلاث نكهات منفصلة وثلاث حالات كتلة منفصلة - لكنهم لا يتطابقون تمامًا مع النكهات ، وكل نكهة هي مزيج من ثلاث حالات جماعية بسبب ميكانيكا الكم. يأمل الباحثون في معرفة المعاني الدقيقة لهذه الكتل والترتيب الذي تظهر به عند دمجها لإنشاء كل عطر. تجارب مثل كاثرين في ألمانيا ، يجب عليهم جمع البيانات اللازمة لتحديد هذه القيم في السنوات القادمة.

3. نموذج كاشف XENON-nT

للنيوترينوات خصائص غريبة. السفر في الفضاء ، على سبيل المثال ، يبدو أنها تتأرجح بين الأذواق. خبراء من مرصد جيانغمن للنيوترينو تحت الأرض في الصين ، والتي من المتوقع أن تبدأ في جمع البيانات عن النيوترينوات المنبعثة من محطات الطاقة النووية القريبة العام المقبل.

يوجد مشروع من هذا النوع سوبر كاميوكاندي ، تم إجراء الملاحظات في اليابان لفترة طويلة. بدأت الولايات المتحدة في بناء مواقع اختبار النيوترينو الخاصة بها. LBNF في إلينوي وتجربة على العمق مع النيوترينوات DUNE في ولاية ساوث داكوتا.

من المتوقع أن يبدأ مشروع LBNF / DUNE الممول من دول متعددة والذي تبلغ قيمته 1,5 مليار دولار في عام 2024 وأن يتم تشغيله بالكامل بحلول عام 2027. تشمل التجارب الأخرى المصممة لكشف أسرار النيوترينو السبيل، في مختبر أوك ريدج الوطني في ولاية تينيسي ، و برنامج النيوترينو القصير ، في فيرميلاب ، إلينوي.

بدوره ، في المشروع Legend-200 ، من المقرر افتتاحه في عام 2021 ، ستتم دراسة الظاهرة المعروفة باسم تسوس بيتا المزدوج عديم النيوترينو. من المفترض أن نيوترونين من نواة ذرة يتحللان في وقت واحد إلى بروتونات ، كل منها يقذف إلكترونًا و , يتلامس مع نيوترينو آخر ويقضي عليه.

إذا كان مثل هذا التفاعل موجودًا ، فسيوفر دليلًا على أن النيوترينوات هي مادة مضادة خاصة بها ، مما يؤكد بشكل غير مباشر نظرية أخرى حول الكون المبكر - موضحًا سبب وجود مادة أكثر من المادة المضادة.

يريد الفيزيائيون أيضًا أن ينظروا أخيرًا إلى الطاقة المظلمة الغامضة التي تتسرب إلى الفضاء وتتسبب في توسع الكون. مطيافية الطاقة المظلمة بدأت الأداة (DESI) في العمل العام الماضي فقط ومن المتوقع إطلاقها في عام 2020. تلسكوب مسح شامل كبير في تشيلي ، بقيادة المؤسسة الوطنية للعلوم / وزارة الطاقة ، يجب أن يبدأ برنامج بحثي كامل باستخدام هذه المعدات في عام 2022.

С другой стороны (4) ، الذي كان من المقرر أن يصبح حدثًا في العقد الماضي ، سيصبح في النهاية بطل الذكرى العشرين. بالإضافة إلى عمليات البحث المخطط لها ، ستساهم في دراسة الطاقة المظلمة من خلال مراقبة المجرات وظواهرها.

4. تصور تلسكوب جيمس ويب

ماذا سنطلب

من المنطقي أن العقد القادم في الفيزياء لن يكون ناجحًا إذا بعد عشر سنوات من الآن طرحنا نفس الأسئلة التي لم تتم الإجابة عليها. سيكون الأمر أفضل بكثير عندما نحصل على الإجابات التي نريدها ، ولكن أيضًا عندما تظهر أسئلة جديدة تمامًا ، لأننا لا نستطيع الاعتماد على موقف ستقول فيه الفيزياء ، "ليس لدي المزيد من الأسئلة ،" على الإطلاق.