Cumu esce da l'impasse in fisica?

U collider di particelle di a prossima generazione costarà miliardi di dollari. Ci sò piani di custruisce tali dispusitivi in ​​Europa è in Cina, ma i scientisti si dumandanu s'ellu hè sensu. Forsi duvemu circà una nova manera di spirimintà è di ricerca chì purterà à un avanzu in a fisica ? 

U mudellu Standard hè statu cunfirmatu ripetutamente, cumpresu à u Large Hadron Collider (LHC), ma ùn risponde micca tutte l'aspettattivi di a fisica. Ùn pò micca spiegà misteri cum'è l'esistenza di a materia scura è l'energia scura, o perchè a gravità hè cusì sfarente da altre forze fundamentali.

In a scienza tradiziunale chì tratta di tali prublemi, ci hè un modu per cunfirmà o refute sti ipotesi. raccolta di dati supplementari - in stu casu, da megliu telescopi è microscopes, è forsi da un cumplitamenti novu, ancu più grande super paraurti chì crea una chance per esse scupertu particelle supersimmetriche.

In u 2012, l'Istitutu di Fisica di l'Alta Energia di l'Academia Cinese di Scienze hà annunziatu un pianu di custruisce un super counter gigante. Pianu Electron Positron Collider (CEPC) avaria una circunferenza di circa 100 km, quasi quattru volte quella di u LHC (1). In risposta, in u 2013, l'operatore di u LHC, vale à dì u CERN, hà annunziatu u so pianu per un novu dispositivu di collisione chjamatu Future Circular Collider (FCC).

1. Comparazione di dimensioni di l'acceleratori CEPC, FCC è LHC previsti.

Tuttavia, i scientisti è l'ingegneri si dumandanu se sti prughjetti valenu a pena l'investimentu enormu. Chen-Ning Yang, vincitore di u Premiu Nobel in a fisica di particella, hà criticatu a ricerca di tracce di supersimetria cù a nova supersimetria trè anni fà nantu à u so blog, chjamendu un "ghjocu di guessing". Una supposizione assai caru. Hè stata ripresa da parechji scientisti in Cina, è in Auropa, i luminari di a scienza parlavanu in u stessu spiritu nantu à u prugettu FCC.

Questu hè statu infurmatu à Gizmodo da Sabine Hossenfelder, un fisicu in l'Istitutu di Studi Avanzati in Francoforte. -

I critichi di i prughjetti per creà colliders più putenti notanu chì a situazione hè diversa da quandu hè stata custruita. Si sà à l'epica ch'è no circhemu ancu Bogs Higgs. Avà i scopi sò menu definiti. È u silenziu in i risultati di l'esperimenti realizati da u Large Hadron Collider aghjurnatu per accodà a scuperta di Higgs - senza scuperte scuperte da u 2012 - hè un pocu ominous.

Inoltre, ci hè un fattu cunnisciutu, ma forse micca universale tuttu ciò chì sapemu di i risultati di l'esperimenti à u LHC vene da l'analisi di solu circa 0,003% di e dati ottenuti allora. Solu ùn pudemu micca trattà di più. Ùn si pò micca escluditu chì e risposte à e grandi dumande di fisica chì ci perseguite sò digià in u 99,997% chì ùn avemu micca cunsideratu. Allora forsi ùn avete micca bisognu di custruisce una altra macchina grande è caru, ma per truvà una manera di analizà assai più infurmazione?

Vale a pena cunsiderà, soprattuttu chì i fisici speranu di strincà ancu di più fora di a macchina. Un downtime di dui anni (cusì chjamatu) chì hà iniziatu pocu tempu mantene u collider inattivu finu à u 2021, chì permette u mantenimentu (2). Dopu cumminciarà à operare à energie simili o un pocu più elevate, prima di passà un aghjurnamentu maiò in u 2023, cù a fine prevista per u 2026.

Stu aghjurnà vi costa un miliardo di dollari (u prezzu paragunatu à u costu pianificatu di a FCC), è u so scopu hè di creà un cusì chjamatu. High Luminosity-LHC. Per u 2030, questu puderia aumentà decuplicatu u numeru di collisioni chì una vittura pruduce per seconda.

2. U travagliu di riparazione in u LHC

era un neutrinu

Una di e particelle chì ùn sò micca state rilevate à u LHC, ancu s'ellu era prevista per esse, hè WIMP (-particelle massive chì interagiscenu debbuli). Quessi sò ipotetiche particelle pesanti (da 10 GeV / s² à parechji TeV / s², mentri a massa di protoni hè pocu menu di 1 GeV / s²) chì interagiscenu cù a materia visibile cù una forza paragunabile à l'interazzione debule. Spiegheranu una massa misteriosa chjamata materia scura, chì hè cinque volte più cumuna in l'universu chè a materia ordinaria.

À u LHC, nisun WIMP hè statu trovu in questi 0,003% di e dati sperimentali. Tuttavia, ci sò metudi più prezzu per questu - per esempiu. esperimentu XENON-NT (3), un tamantu tamantu di xenon liquidu in profondità in l'Italia è in u prucessu di esse alimentatu in a reta di ricerca. In un'altra enorme tina di xenon, LZ in South Dakota, a ricerca principiarà da u 2020.

Un altru esperimentu, custituitu di detectors semiconductor ultracold supersensitive, hè chjamatu SuperKDMS SNOLAB, cumincerà a carica di dati in Ontario à principiu di 2020. Allora e probabilità di "tirà" infine sti particeddi misteriosi in l'anni 20 di u XNUMXesimu seculu aumentanu.

I Wimps ùn sò micca i soli candidati à a materia oscura chì i scientisti cercanu. Invece, l'esperimenti ponu pruduce particelle alternative chjamate axions, chì ùn ponu micca esse direttamente osservate cum'è neutrini.

Hè assai prubabile chì a prossima dicada appartene à scuperte ligati à i neutrini. Sò trà e particeddi più abbundanti in l'universu. À u listessu tempu, unu di i più difficiuli di studià, perchè i neutrini interagiscenu assai debbuli cù a materia ordinaria.

I scientisti sanu longu chì sta particella hè custituita da trè sapori chjamati separati è trè stati di massa separati - ma ùn sò micca esattamente currispondenu à i sapori, è ogni sapori hè una cumminazione di trè stati di massa per via di a meccanica quantistica. I circadori speranu di scopre u significatu esatta di sti massi è l'ordine in quale appariscenu quandu sò cumminati per creà ogni fragranza. Esperimenti cum'è CATHERINE in Germania, anu da cullà i dati necessarii per determinà questi valori in l'anni à vene.

3. Modellu di detector XENON-nT

I neutrini anu proprietà strane. Viaghjà in u spaziu, per esempiu, parenu oscillate trà i gusti. Esperti da Osservatorio di Neutrini Sotterranei di Jiangmen in Cina, chì si spetta di cumincià à cullà dati nantu à i neutrini emessi da e centrali nucleari vicine l'annu prossimu.

Ci hè un prughjettu di stu tipu Super-Kamiokande, l'osservazioni in u Giappone sò state dapoi assai tempu. I Stati Uniti anu cuminciatu à custruisce i so propii siti di teste di neutrini. LBNF in Illinois è un esperimentu cù neutrini in prufundità DUNE in South Dakota.

U prughjettu LBNF/DUNE finanziatu da 1,5 miliardi di dollari hè previstu di principià in u 2024 è esse cumplettamente operativu da u 2027. Altri esperimenti pensati per sbloccare i sicreti di u neutrinu includenu AVENUE, à u Laboratoriu Naziunale di Oak Ridge in Tennessee, è prugramma di neutrinu di basa corta, in Fermilab, Illinois.

In turnu, in u prugettu Legenda-200, Apertura prevista in u 2021, un fenomenu cunnisciutu cum'è decadimentu beta doppiu neutrinoless serà studiatu. Si suppone chì dui neutroni da u nucleu di un atomu si decadenu simultaneamente in protoni, ognuna di i quali ejecta un elettrone è , entra in cuntattu cù un altru neutrinu è annihilates.

Se una tale reazione esistia, avaristi evidenza chì i neutrini sò a so propria antimateria, cunfirmendu indirettamente una altra teoria nantu à l'universu iniziale - spieghendu perchè ci hè più materia cà antimateria.

I fisici volenu ancu studià infine a misteriosa energia scura chì penetra in u spaziu è porta à l'espansione di l'universu. Spettroscopia d'energia scura U strumentu (DESI) hà cuminciatu à travaglià solu l'annu passatu è hè previstu di esse lanciatu in 2020. Grande Telescopiu Sinoptic Survey in Cile, pilotatu da a Fundazione Naziunale di Scienza / Dipartimentu di l'Energia, un prugramma di ricerca cumpletu chì utilizeghja stu equipamentu duverebbe principià in 2022.

С другой стороны (4), chì era destinatu à divintà l'avvenimentu di a decada di uscita, eventualmente diventerà l'eroi di u vinti anniversariu. In più di e ricerche previste, cuntribuisce à u studiu di l'energia scura osservendu e galaxie è i so fenomeni.

4. Visualizazione di u telescopiu James Webb

Chì avemu da dumandà

In u sensu cumunu, a prossima dicada in fisica ùn serà micca successu se deci anni da quì ci facemu e stesse dumande senza risposta. Serà assai megliu quandu avemu da ottene e risposte chì vulemu, ma ancu quandu si ponenu dumande completamente novi, perchè ùn pudemu micca cuntà una situazione in quale a fisica dicerà: "Ùn aghju micca più dumande".