Come uscire dall'impasse della fisica?

Il collisore di particelle di prossima generazione costerà miliardi di dollari. Ci sono piani per costruire tali dispositivi in ​​Europa e in Cina, ma gli scienziati si chiedono se questo abbia senso. Forse dovremmo cercare un nuovo modo di sperimentare e ricercare che porti a una svolta nella fisica? 

Il Modello Standard è stato più volte confermato, anche al Large Hadron Collider (LHC), ma non soddisfa tutte le aspettative della fisica. Non può spiegare misteri come l'esistenza della materia oscura e dell'energia oscura, o perché la gravità è così diversa dalle altre forze fondamentali.

Nella scienza che tradizionalmente si occupa di tali problemi, c'è un modo per confermare o confutare queste ipotesi. raccolta di dati aggiuntivi - in questo caso, da telescopi e microscopi migliori, e forse da uno completamente nuovo, anche più grande super paraurti che creerà la possibilità di essere scoperti particelle supersimmetriche.

Nel 2012, l'Istituto di Fisica delle Alte Energie dell'Accademia Cinese delle Scienze ha annunciato un piano per costruire un gigantesco super contatore. Pianificato Collisore di positroni di elettroni (CEPC) avrebbe una circonferenza di circa 100 km, quasi quattro volte quella dell'LHC (1). In risposta, nel 2013, l'operatore dell'LHC, ovvero il CERN, ha annunciato il suo piano per un nuovo dispositivo di collisione chiamato Future Circular Collider (FCC).

1. Confronto dimensionale degli acceleratori CEPC, FCC e LHC previsti.

Tuttavia, scienziati e ingegneri si chiedono se questi progetti varranno l'enorme investimento. Chen-Ning Yang, vincitore del premio Nobel per la fisica delle particelle, ha criticato la ricerca di tracce di supersimmetria utilizzando la nuova supersimmetria tre anni fa sul suo blog, definendolo un "gioco di indovinelli". Un'ipotesi molto costosa. Ha fatto eco a molti scienziati in Cina e in Europa i luminari della scienza hanno parlato con lo stesso spirito del progetto FCC.

Lo ha riferito a Gizmodo Sabina Hossenfelder, fisica dell'Institute for Advanced Study di Francoforte. -

I critici dei progetti per creare collisori più potenti notano che la situazione è diversa da quando è stato costruito. Si sapeva all'epoca che stavamo persino cercando Bogs Higgs. Ora gli obiettivi sono meno definiti. E il silenzio nei risultati degli esperimenti condotti dal Large Hadron Collider aggiornato per accogliere la scoperta di Higgs – senza scoperte rivoluzionarie dal 2012 – è alquanto inquietante.

Inoltre, c'è un fatto ben noto, ma forse non universale tutto ciò che sappiamo sui risultati degli esperimenti all'LHC deriva dall'analisi solo dello 0,003% circa dei dati ottenuti allora. Non potevamo gestire di più. Non è da escludere che le risposte alle grandi domande di fisica che ci perseguitano siano già nel 99,997% che non abbiamo considerato. Quindi forse hai bisogno non tanto di costruire un'altra macchina grande e costosa, ma di trovare un modo per analizzare molte più informazioni?

Vale la pena considerare, soprattutto perché i fisici sperano di spremere ancora di più dall'auto. Un fermo di due anni (cosiddetto) iniziato di recente manterrà il collisore inattivo fino al 2021, consentendone la manutenzione (2). Inizierà quindi a funzionare a energie simili o leggermente superiori, prima di subire un importante aggiornamento nel 2023, con completamento previsto per il 2026.

Questo aggiornamento costerà un miliardo di dollari (economico rispetto al costo pianificato della FCC) e il suo obiettivo è creare un cosiddetto. Alta luminosità-LHC. Entro il 2030, questo potrebbe aumentare di dieci volte il numero di collisioni prodotte da un'auto al secondo.

2. Lavori di riparazione sull'LHC

era un neutrino

Una delle particelle che non è stata rilevata all'LHC, sebbene ci si aspettasse che lo fosse, lo è Wimp (-particelle massicce debolmente interagenti). Si tratta di ipotetiche particelle pesanti (da 10 GeV/s² a diversi TeV/s², mentre la massa del protone è di poco inferiore a 1 GeV/s²) che interagiscono con la materia visibile con una forza paragonabile all'interazione debole. Spiegherebbero una massa misteriosa chiamata materia oscura, che è cinque volte più comune nell'universo della materia ordinaria.

All'LHC, non sono state trovate WIMP in questo 0,003% dei dati sperimentali. Tuttavia, esistono metodi più economici per questo, ad esempio. Esperimento XENON-NT (3), un'enorme vasca di xeno liquido in profondità nel sottosuolo italiano e in procinto di essere immessa nella rete di ricerca. In un'altra enorme vasca di xeno, LZ nel South Dakota, la ricerca inizierà già nel 2020.

Viene chiamato un altro esperimento, costituito da rivelatori a semiconduttore ultrafreddi supersensibili SuperKDMS SNOLAB, inizierà a caricare i dati in Ontario all'inizio del 2020. Quindi le possibilità di "sparare" finalmente queste misteriose particelle negli anni '20 del XIX secolo stanno aumentando.

I Wimps non sono gli unici candidati alla materia oscura che gli scienziati cercano. Invece, gli esperimenti possono produrre particelle alternative chiamate assioni, che non possono essere osservate direttamente come i neutrini.

È molto probabile che il prossimo decennio apparterrà alle scoperte relative ai neutrini. Sono tra le particelle più abbondanti nell'universo. Allo stesso tempo, uno dei più difficili da studiare, perché i neutrini interagiscono molto debolmente con la materia ordinaria.

Gli scienziati sanno da tempo che questa particella è composta da tre cosiddetti sapori separati e tre stati di massa separati, ma non corrispondono esattamente ai sapori e ogni sapore è una combinazione di tre stati di massa dovuti alla meccanica quantistica. I ricercatori sperano di scoprire i significati esatti di queste masse e l'ordine in cui appaiono quando vengono combinate per creare ogni fragranza. Esperimenti come Caterina in Germania, devono raccogliere i dati necessari per determinare questi valori nei prossimi anni.

3. Modello rivelatore XENON-nT

I neutrini hanno strane proprietà. Viaggiando nello spazio, ad esempio, sembrano oscillare tra i gusti. Esperti da Osservatorio sotterraneo dei neutrini di Jiangmen in Cina, che dovrebbe iniziare a raccogliere dati sui neutrini emessi dalle vicine centrali nucleari il prossimo anno.

C'è un progetto di questo tipo Super-Kamiokande, le osservazioni in Giappone sono in corso da molto tempo. Gli Stati Uniti hanno iniziato a costruire i propri siti di test sui neutrini. LBNF in Illinois e un esperimento con i neutrini in profondità DUNE nel Sud Dakota.

Il progetto LBNF/DUNE finanziato da più paesi da 1,5 miliardi di dollari dovrebbe iniziare nel 2024 e diventare pienamente operativo entro il 2027. Altri esperimenti progettati per svelare i segreti del neutrino includono VIALE, presso l'Oak Ridge National Laboratory nel Tennessee, e breve programma di neutrini di base, nel Fermilab, nell'Illinois.

A sua volta, nel progetto Leggenda-200, L'apertura è prevista per il 2021, verrà studiato un fenomeno noto come doppio decadimento beta senza neutrini. Si presume che due neutroni dal nucleo di un atomo decadano simultaneamente in protoni, ciascuno dei quali espelle un elettrone e , entra in contatto con un altro neutrino e si annienta.

Se una tale reazione esistesse, fornirebbe la prova che i neutrini sono la loro stessa antimateria, confermando indirettamente un'altra teoria sull'universo primordiale, spiegando perché c'è più materia che antimateria.

I fisici vogliono anche esaminare finalmente la misteriosa energia oscura che filtra nello spazio e fa espandere l'universo. Spettroscopia di energia oscura Lo strumento (DESI) ha iniziato a funzionare solo l'anno scorso e dovrebbe essere lanciato nel 2020. Telescopio sinottico di grandi dimensioni in Cile, pilotato dalla National Science Foundation/Department of Energy, un programma di ricerca a tutti gli effetti che utilizza questa attrezzatura dovrebbe iniziare nel 2022.

С другой стороны (4), destinato a diventare l'evento del decennio in uscita, diventerà infine l'eroe del ventesimo anniversario. Oltre alle ricerche previste, contribuirà allo studio dell'energia oscura osservando le galassie ei loro fenomeni.

4. Visualizzazione del telescopio James Webb

Cosa chiederemo

In senso comune, il prossimo decennio in fisica non avrà successo se tra dieci anni ci porremo le stesse domande senza risposta. Sarà molto meglio quando otterremo le risposte che vogliamo, ma anche quando sorgono domande completamente nuove, perché non possiamo contare su una situazione in cui la fisica dirà: "Non ho più domande", mai.