Como saír do impasse da física?

O colisionador de partículas de próxima xeración custará miles de millóns de dólares. Hai plans para construír este tipo de dispositivos en Europa e China, pero os científicos cuestionan se isto ten sentido. Quizais deberíamos buscar unha nova forma de experimentar e investigar que permita un gran avance na física? 

O Modelo Estándar confirmouse repetidamente, incluso no Large Hadron Collider (LHC), pero non cumpre todas as expectativas da física. Non pode explicar misterios como a existencia da materia escura e a enerxía escura, nin por que a gravidade é tan diferente doutras forzas fundamentais.

Na ciencia que tradicionalmente trata este tipo de problemas, hai un xeito de confirmar ou refutar estas hipóteses. recollida de datos adicionais - neste caso, de mellores telescopios e microscopios, e quizais dun completamente novo, aínda máis grande super parachoques que creará unha oportunidade para ser descuberto partículas supersimétricas.

En 2012, o Instituto de Física de Altas Enerxías da Academia Chinesa de Ciencias anunciou un plan para construír un súper contador xigante. Planificado Colisionador de positrones electrónicos (CEPC) tería unha circunferencia duns 100 km, case catro veces a do LHC (1). En resposta, en 2013, o operador do LHC, é dicir, o CERN, anunciou o seu plan para un novo dispositivo de colisión chamado Futuro colisionador circular (FCC).

1. Comparación de tamaños dos aceleradores CEPC, FCC e LHC previstos.

Non obstante, os científicos e enxeñeiros pregúntanse se estes proxectos pagarán a pena o enorme investimento. Chen-Ning Yang, premio Nobel de física de partículas, criticou hai tres anos a procura de trazos de supersimetría mediante a nova supersimetría no seu blog, calificándoo de "xogo de adiviñas". Unha suposición moi cara. Fíxose eco del moitos científicos en China, e en Europa, as luminarias da ciencia falaron co mesmo espírito sobre o proxecto da FCC.

Isto foi informado a Gizmodo por Sabine Hossenfelder, física do Instituto de Estudos Avanzados de Frankfurt. -

Os críticos dos proxectos para crear colisionadores máis potentes sinalan que a situación é diferente á de cando se construíu. Daquela sabíase que mesmo estabamos a buscar Bogs Higgs. Agora os obxectivos están menos definidos. E o silencio nos resultados dos experimentos realizados polo Large Hadron Collider actualizado para acomodar o descubrimento de Higgs, sen descubrimentos innovadores desde 2012, é algo nefasto.

Ademais, hai un feito ben coñecido, pero quizais non universal todo o que sabemos sobre os resultados dos experimentos no LHC procede da análise de só un 0,003% dos datos obtidos entón. Simplemente non podíamos manexar máis. Non se pode descartar que as respostas ás grandes preguntas da física que nos perseguen estean xa no 99,997% que non consideramos. Entón, quizais non necesites tanto construír outra máquina grande e cara, senón atopar unha forma de analizar moita máis información?

Paga a pena telo en conta, sobre todo porque os físicos esperan espremer aínda máis o coche. Un tempo de inactividade de dous anos (o chamado) que comezou recentemente manterá o colisionador inactivo ata 2021, permitindo o mantemento (2). Despois comezará a funcionar con enerxías similares ou algo superiores, antes de sufrir unha importante actualización en 2023, coa finalización prevista para 2026.

Esta modernización custará mil millóns de dólares (barato en comparación co custo previsto da FCC), e o seu obxectivo é crear un chamado. Alta luminosidade-LHC. Para 2030, isto podería multiplicar por dez o número de colisións que produce un coche por segundo.

2. Traballos de reparación do LHC

era un neutrino

Unha das partículas que non se detectou no LHC, aínda que se esperaba, si WIMP (-partículas masivas de interacción débil). Trátase de hipotéticas partículas pesadas (de 10 GeV/s² a varios TeV/s², mentres que a masa de protóns é lixeiramente inferior a 1 GeV/s²) que interactúan coa materia visible cunha forza comparable á interacción débil. Explicarían unha masa misteriosa chamada materia escura, que é cinco veces máis común no universo que a materia ordinaria.

No LHC, non se atoparon WIMP neste 0,003% dos datos experimentais. Non obstante, hai métodos máis baratos para iso, por exemplo. Experimento XENON-NT (3), unha enorme cuba de xenón líquido no subsolo en Italia e en proceso de ser introducida na rede de investigación. Noutra enorme cuba de xenón, LZ en Dacota do Sur, a busca comezará xa en 2020.

Outro experimento, que consiste en detectores de semicondutores ultrafríos supersensibles, chámase SuperKDMS SNOLAB, comezará a cargar datos en Ontario a principios de 2020. Así que as posibilidades de "disparar" finalmente estas misteriosas partículas nos anos 20 do século XNUMX están aumentando.

Os Wimps non son os únicos candidatos á materia escura que buscan os científicos. Pola contra, os experimentos poden producir partículas alternativas chamadas axións que non se poden observar directamente como neutrinos.

É moi probable que a próxima década pertenza a descubrimentos relacionados cos neutrinos. Están entre as partículas máis abundantes do universo. Ao mesmo tempo, un dos máis difíciles de estudar, porque os neutrinos interactúan moi débilmente coa materia ordinaria.

Os científicos saben desde hai tempo que esta partícula está formada por tres os chamados sabores e tres estados de masa separados, pero non coinciden exactamente cos sabores, e cada sabor é unha combinación de tres estados de masa debido á mecánica cuántica. Os investigadores esperan descubrir o significado exacto destas masas e a orde na que aparecen cando se combinan para crear cada fragrancia. Experimentos como CATHERINE en Alemaña, deben recoller os datos necesarios para determinar estes valores nos próximos anos.

3. Modelo detector XENON-nT

Os neutrinos teñen propiedades estrañas. Viaxando no espazo, por exemplo, parecen oscilar entre os gustos. Expertos de Observatorio subterráneo de neutrinos de Jiangmen en China, que se espera que comece a recoller datos sobre neutrinos emitidos polas centrais nucleares próximas o próximo ano.

Hai un proxecto deste tipo Super-Kamiokande, as observacións en Xapón levan moito tempo. Estados Unidos comezou a construír os seus propios sitios de proba de neutrinos. LBNF en Illinois e un experimento con neutrinos en profundidade DUNA en Dakota do Sur.

Espérase que o proxecto LBNF/DUNE financiado por varios países por 1,5 millóns de dólares comece en 2024 e estea plenamente operativo en 2027. Outros experimentos deseñados para descubrir os segredos do neutrino inclúen AVENIDA, no Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee e programa de neutrinos de referencia curta, en Fermilab, Illinois.

Á súa vez, no proxecto Lenda-200, A apertura prevista para 2021, estudarase un fenómeno coñecido como dobre desintegración beta sen neutrinos. Suponse que dous neutróns do núcleo dun átomo decaen simultáneamente en protóns, cada un dos cales expulsa un electrón e , entra en contacto con outro neutrino e aniquila.

Se existise tal reacción, proporcionaría probas de que os neutrinos son a súa propia antimateria, confirmando indirectamente outra teoría sobre o universo primitivo, explicando por que hai máis materia que antimateria.

Os físicos tamén queren mirar finalmente a misteriosa enerxía escura que se filtra no espazo e fai que o universo se expanda. Espectroscopia de enerxía escura A ferramenta (DESI) só comezou a funcionar o ano pasado e espérase que se lance en 2020. Gran telescopio sinóptico en Chile, pilotado pola Fundación Nacional de Ciencia/Departamento de Enerxía, un programa de investigación completo que utilice este equipo debería comezar en 2022.

do outro lado (4), que estaba destinado a converterse no evento da década saínte, acabará por converterse no heroe do vixésimo aniversario. Ademais das buscas previstas, contribuirá ao estudo da enerxía escura mediante a observación das galaxias e os seus fenómenos.

4. Visualización do telescopio James Webb

Que imos preguntar

En sentido común, a próxima década en física non terá éxito se dentro de dez anos nos facemos as mesmas preguntas sen resposta. Será moito mellor cando teñamos as respostas que queremos, pero tamén cando xurdan preguntas completamente novas, porque non podemos contar cunha situación na que a física diga: "Non teño máis preguntas", nunca.