איך לצאת מהמבוי הסתום בפיזיקה?

תאיץ החלקיקים מהדור הבא יעלה מיליארדי דולרים. יש תוכניות לבנות מכשירים כאלה באירופה ובסין, אבל מדענים מטילים ספק אם זה הגיוני. אולי כדאי שנחפש דרך חדשה של ניסויים ומחקר שתוביל לפריצת דרך בפיזיקה? 

הדגם הסטנדרטי אושר שוב ושוב, כולל במאיץ ההדרונים הגדול (LHC), אך הוא אינו עונה על כל הציפיות של הפיזיקה. זה לא יכול להסביר תעלומות כמו קיומם של חומר אפל ואנרגיה אפלה, או מדוע כוח הכבידה שונה כל כך מכוחות יסוד אחרים.

במדע שעוסק באופן מסורתי בבעיות כאלה, יש דרך לאשש או להפריך השערות אלו. איסוף נתונים נוספים - במקרה הזה, מטלסקופים ומיקרוסקופים טובים יותר, ואולי ממכשיר חדש לגמרי, אפילו גדול יותר סופר פגוש שתיצור הזדמנות להתגלות חלקיקים סופר סימטריים.

בשנת 2012, המכון לפיזיקת אנרגיה גבוהה של האקדמיה הסינית למדעים הכריז על תוכנית לבניית סופר סופר ענק. מתוכנן מאיץ פוזיטרון אלקטרוני (CEPC) יהיה לה היקף של כ-100 ק"מ, כמעט פי ארבעה מזה של ה-LHC (1). בתגובה, בשנת 2013, הודיעה מפעילת ה-LHC, כלומר CERN, על תוכניתה למכשיר התנגשות חדש בשם Future Circular Collider (FCC).

1. השוואת גודל של מאיצי CEPC, FCC ו-LHC המתוכננים.

עם זאת, מדענים ומהנדסים תוהים אם הפרויקטים הללו יהיו שווים את ההשקעה העצומה. צ'ן-נינג יאנג, זוכה פרס נובל בפיזיקה של חלקיקים, ביקר בבלוג שלו את החיפוש אחר עקבות של סופר-סימטריה באמצעות סופר-סימטריה חדשה לפני שלוש שנים, וכינה זאת "משחק ניחושים". ניחוש יקר מאוד. זה זכה להד על ידי מדענים רבים בסין, ובאירופה, מאורות המדע דיברו באותה רוח על פרויקט ה-FCC.

כך דיווחה לגיזמודו על ידי סבין הוזנפלדר, פיזיקאית במכון למחקר מתקדם בפרנקפורט. -

מבקרים של פרויקטים ליצירת מתנגשים חזקים יותר מציינים שהמצב שונה ממה שהוא נבנה. זה היה ידוע בזמנו שאפילו חיפשנו בוגס היגס. כעת המטרות פחות מוגדרות. והשתיקה בתוצאות הניסויים שבוצעו על ידי מאיץ ההדרונים הגדול ששודרגו כדי להכיל את תגלית היגס - ללא ממצאים פורצי דרך מאז 2012 - מבשרת רעות במקצת.

בנוסף, יש עובדה ידועה, אבל אולי לא אוניברסלית כל מה שאנחנו יודעים על תוצאות הניסויים ב-LHC מגיע מניתוח של כ-0,003% בלבד מהנתונים שהתקבלו אז. פשוט לא יכולנו להתמודד עם יותר. אי אפשר לשלול שהתשובות לשאלות הגדולות של הפיזיקה שרודפות אותנו נמצאות כבר ב-99,997% שלא שקלנו. אז אולי אתה לא צריך כל כך לבנות עוד מכונה גדולה ויקרה, אלא למצוא דרך לנתח הרבה יותר מידע?

כדאי לשקול זאת, במיוחד מכיוון שהפיזיקאים מקווים לסחוט עוד יותר מהמכונית. השבתה של שנתיים (מה שנקרא) שהחלה לאחרונה תשאיר את המתנגש בלתי פעיל עד 2021, מה שיאפשר תחזוקה (2). לאחר מכן הוא יתחיל לפעול באנרגיות דומות או גבוהות יותר במקצת, לפני שיעבור שדרוג גדול ב-2023, עם השלמתו מתוכננת ל-2026.

השדרוג הזה יעלה מיליארד דולר (זול בהשוואה לעלות המתוכננת של ה-FCC), ומטרתו היא ליצור מה שנקרא. בהירות גבוהה-LHC. עד 2030, זה עשוי להגדיל פי עשרה את מספר ההתנגשויות שמכונית מייצרת בשנייה.

2. עבודות תיקון ב-LHC

זה היה נייטרינו

אחד מהחלקיקים שלא זוהה ב-LHC, למרות שהיה צפוי להיות, הוא חֲלָשׁלוּשׁ (-חלקיקים מסיביים בעלי אינטראקציה חלשה). אלו הם חלקיקים כבדים היפותטיים (מ-10 GeV/s² עד כמה TeV/s², בעוד שמסת הפרוטון קטנה מעט מ-1 GeV/s²) המקיימים אינטראקציה עם חומר גלוי בכוח השווה לאינטראקציה החלשה. הם יסבירו מסה מסתורית שנקראת חומר אפל, שנפוצה פי חמישה ביקום מחומר רגיל.

ב-LHC, לא נמצאו WIMPs ב-0,003% אלה מנתוני הניסוי. עם זאת, ישנן שיטות זולות יותר לכך – למשל. ניסוי XENON-NT (3), בור ענק של קסנון נוזלי עמוק מתחת לאדמה באיטליה ובתהליך הזנה לרשת המחקר. במיכל ענק נוסף של קסנון, LZ בדרום דקוטה, החיפוש יתחיל כבר ב-2020.

ניסוי נוסף, המורכב מגלאי מוליכים למחצה אולטרה-קרים רגישים, נקרא SuperKDMS SNOLAB, יתחיל להעלות נתונים לאנטריו בתחילת 2020. אז הסיכוי "לירות" סוף סוף את החלקיקים המסתוריים האלה בשנות ה-20 של המאה XNUMX גדלים.

ווימפים הם לא המועמדים היחידים לחומר אפל שמדענים מחפשים. במקום זאת, ניסויים יכולים לייצר חלקיקים חלופיים הנקראים אקסונים שלא ניתן לצפות בהם ישירות כמו ניטרינו.

סביר מאוד שהעשור הבא יהיה שייך לתגליות הקשורות לנייטרינו. הם בין החלקיקים הנפוצים ביותר ביקום. יחד עם זאת, אחד הקשים ביותר ללימוד, מכיוון שהנייטרינו מתקשרים בצורה חלשה מאוד עם חומר רגיל.

מדענים יודעים זה מכבר שהחלקיק הזה מורכב משלושה טעמים נפרדים כביכול ושלושה מצבי מסה נפרדים - אבל הם לא בדיוק תואמים טעמים, וכל טעם הוא שילוב של שלושה מצבי מסה בשל מכניקת הקוונטים. החוקרים מקווים לגלות את המשמעויות המדויקות של המסות הללו ואת סדר הופעתן כאשר הן משולבות ליצירת כל ניחוח. ניסויים כגון קתרין בגרמניה, עליהם לאסוף את הנתונים הדרושים לקביעת ערכים אלו בשנים הקרובות.

3. דגם גלאי XENON-nT

לנוטרינו יש תכונות מוזרות. מטיילים בחלל, למשל, נראה שהם נעים בין הטעמים. מומחים מ מצפה ניוטרינו תת קרקעי של ג'יאנגמן בסין, שצפויה להתחיל לאסוף נתונים על ניטרינו הנפלטים מתחנות כוח גרעיניות סמוכות בשנה הבאה.

יש פרויקט מהסוג הזה סופר קמיוקנדה, תצפיות ביפן נמשכות כבר זמן רב. ארה"ב החלה לבנות אתרי ניסוי נייטרינו משלה. LBNF באילינוי וניסוי בניטרינו בעומק חוֹלִית בדרום דקוטה.

פרויקט LBNF/DUNE במימון רב-מדינות בסך 1,5 מיליארד דולר צפוי להתחיל ב-2024 ולהיות פעיל במלואו עד 2027. ניסויים נוספים שנועדו לגלות את סודות הניטרינו כוללים שְׁדֵרָה, במעבדה הלאומית אוק רידג' בטנסי, ו תוכנית נייטרינו קצרה, בפרמילב, אילינוי.

בתורו, בפרויקט Legend-200, מתוכננת להיפתח ב-2021, תופעה הידועה בשם ריקבון כפול בטא ללא נויטרינו תיבדק. ההנחה היא ששני נויטרונים מגרעין האטום מתפרקים בו-זמנית לפרוטונים, שכל אחד מהם פולט אלקטרון , בא במגע עם ניטרינו אחר ומשמיד.

אם תגובה כזו הייתה קיימת, היא תספק ראיות לכך שהנייטרינים הם אנטי-חומר משלהם, ומאשרת בעקיפין תיאוריה אחרת על היקום המוקדם - מסבירה מדוע יש יותר חומר מאנטי-חומר.

פיזיקאים רוצים סוף סוף להסתכל לתוך האנרגיה האפלה המסתורית שמחלחלת לחלל וגורמת ליקום להתפשט. ספקטרוסקופיה של אנרגיה אפלה הכלי (DESI) התחיל לעבוד רק בשנה שעברה וצפוי להיות מושק ב-2020. טלסקופ סקר סינופטי גדול בצ'ילה, בפיילוט של הקרן הלאומית למדע/משרד האנרגיה, תוכנית מחקר מלאה המשתמשת בציוד זה אמורה להתחיל ב-2022.

С другой стороны (4), שנועד להפוך לאירוע של העשור היוצא, יהפוך בסופו של דבר לגיבור יום השנה העשרים. בנוסף לחיפושים המתוכננים, הוא יתרום לחקר האנרגיה האפלה באמצעות התבוננות בגלקסיות ובתופעות שלהן.

4. הדמיה של טלסקופ ג'יימס ווב

מה אנחנו הולכים לשאול

בשכל הישר, העשור הבא בפיזיקה לא יצליח אם בעוד עשר שנים נשאל את אותן שאלות ללא מענה. זה יהיה הרבה יותר טוב כשנקבל את התשובות שאנחנו רוצים, אבל גם כשיתעוררו שאלות חדשות לגמרי, כי אנחנו לא יכולים לסמוך על מצב שבו הפיזיקה תגיד, "אין לי יותר שאלות", אי פעם.