จะออกจากทางตันในวิชาฟิสิกส์ได้อย่างไร?

เครื่องชนอนุภาครุ่นต่อไปจะมีราคาหลายพันล้านดอลลาร์ มีแผนจะสร้างอุปกรณ์ดังกล่าวในยุโรปและจีน แต่นักวิทยาศาสตร์ตั้งคำถามว่าสิ่งนี้สมเหตุสมผลหรือไม่ บางทีเราควรมองหาวิธีใหม่ในการทดลองและการวิจัยที่จะนำไปสู่ความก้าวหน้าทางฟิสิกส์? 

โมเดลมาตรฐานได้รับการยืนยันซ้ำแล้วซ้ำเล่า รวมถึงที่ Large Hadron Collider (LHC) แต่ก็ไม่เป็นไปตามความคาดหวังของฟิสิกส์ ไม่สามารถอธิบายความลึกลับ เช่น การมีอยู่ของสสารมืดและพลังงานมืด หรือเหตุใดแรงโน้มถ่วงจึงแตกต่างจากแรงพื้นฐานอื่นๆ

ในวิทยาศาสตร์ที่จัดการกับปัญหาดังกล่าวตามธรรมเนียม มีวิธียืนยันหรือหักล้างสมมติฐานเหล่านี้ การรวบรวมข้อมูลเพิ่มเติม - ในกรณีนี้ จากกล้องโทรทรรศน์และกล้องจุลทรรศน์ที่ดีกว่า และอาจมาจากกล้องใหม่ทั้งหมดที่มีขนาดใหญ่กว่า ซุปเปอร์บัมเปอร์ ที่จะสร้างโอกาสในการค้นพบ อนุภาคสมมาตรยิ่งยวด

ในปี 2012 สถาบันฟิสิกส์พลังงานสูงแห่งสถาบันวิทยาศาสตร์จีนได้ประกาศแผนการสร้างซุปเปอร์เคาน์เตอร์ขนาดยักษ์ วางแผน อิเล็กตรอนโพซิตรอนชน (CEPC) จะมีเส้นรอบวงประมาณ 100 กม. เกือบสี่เท่าของ LHC (1). ในการตอบสนองในปี 2013 ผู้ดำเนินการ LHC เช่น CERN ได้ประกาศแผนสำหรับอุปกรณ์การชนแบบใหม่ที่เรียกว่า Future Circular Collider (FCC).

1. การเปรียบเทียบขนาดของตัวเร่งความเร็ว CEPC, FCC และ LHC ที่วางแผนไว้

อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรต่างสงสัยว่าโครงการเหล่านี้จะคุ้มค่ากับการลงทุนมหาศาลหรือไม่ Chen-Ning Yang ผู้ชนะรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์อนุภาค วิพากษ์วิจารณ์การค้นหาร่องรอยของสมมาตรยิ่งยวดโดยใช้สมมาตรยิ่งยวดใหม่บนบล็อกของเขาเมื่อสามปีที่แล้ว โดยเรียกมันว่า "เกมเดา" การเดาที่แพงมาก นักวิทยาศาสตร์หลายคนในจีนสะท้อนสิ่งนี้ และในยุโรป บรรดาผู้เชี่ยวชาญด้านวิทยาศาสตร์ต่างก็พูดถึงโครงการ FCC ในลักษณะเดียวกัน

สิ่งนี้ถูกรายงานไปยัง Gizmodo โดย Sabine Hossenfelder นักฟิสิกส์จาก Institute for Advanced Study ในแฟรงค์เฟิร์ต -

นักวิจารณ์โครงการเพื่อสร้าง colliders ที่ทรงพลังยิ่งขึ้นทราบว่าสถานการณ์แตกต่างจากเมื่อสร้างขึ้น เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าเรากำลังตามหา บ็อกส์ ฮิกส์. ตอนนี้เป้าหมายมีการกำหนดน้อยลง และความเงียบในผลการทดลองที่ดำเนินการโดย Large Hadron Collider ที่อัพเกรดเพื่อรองรับการค้นพบ Higgs โดยไม่มีการค้นพบครั้งสำคัญใดๆ นับตั้งแต่ปี 2012 นั้นค่อนข้างเป็นลางไม่ดี

นอกจากนั้น ยังมีข้อเท็จจริงที่ทราบกันดีแต่อาจไม่เป็นสากลว่า ทุกสิ่งที่เรารู้เกี่ยวกับผลการทดลองที่ LHC มาจากการวิเคราะห์เพียง 0,003% ของข้อมูลที่ได้รับในขณะนั้น เราไม่สามารถรับมือได้มากกว่านี้ ไม่สามารถตัดออกได้ว่าคำตอบของคำถามใหญ่ของฟิสิกส์ที่หลอกหลอนเรานั้นมีอยู่แล้วใน 99,997% ที่เรายังไม่ได้พิจารณา ดังนั้นบางทีคุณไม่จำเป็นต้องสร้างเครื่องจักรขนาดใหญ่และมีราคาแพงอีกต่อไป แต่เพื่อหาวิธีวิเคราะห์ข้อมูลเพิ่มเติม?

ควรพิจารณาโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อนักฟิสิกส์หวังว่าจะบีบออกจากเครื่องมากยิ่งขึ้น การหยุดทำงานสองปี (ที่เรียกว่า) ซึ่งเริ่มขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้จะทำให้ collider ไม่ทำงานจนถึงปี 2021 เพื่อให้สามารถบำรุงรักษาได้ (2). จากนั้นจะเริ่มปฏิบัติการด้วยพลังงานที่ใกล้เคียงหรือสูงกว่าเล็กน้อย ก่อนที่จะมีการอัพเกรดครั้งใหญ่ในปี 2023 โดยมีกำหนดแล้วเสร็จในปี 2026

ความทันสมัยนี้จะมีค่าใช้จ่ายหนึ่งพันล้านดอลลาร์ (ถูกเมื่อเทียบกับต้นทุนที่วางแผนไว้ของ FCC) และเป้าหมายของมันคือการสร้างสิ่งที่เรียกว่า ความส่องสว่างสูง-LHC ภายในปี 2030 สิ่งนี้สามารถเพิ่มจำนวนการชนกันของรถยนต์ได้ถึงสิบเท่าต่อวินาที

2. งานซ่อมแซมบน LHC

มันเป็นนิวตริโน

หนึ่งในอนุภาคที่ตรวจไม่พบที่ LHC แม้ว่าจะคาดว่าน่าจะเป็น วิปริต (-อ่อนแอโต้ตอบอนุภาคขนาดใหญ่). เหล่านี้เป็นอนุภาคหนักตามสมมุติฐาน (ตั้งแต่ 10 GeV / s²ถึงหลาย TeV / s²ในขณะที่มวลโปรตอนมีค่าน้อยกว่า 1 GeV / s²) เล็กน้อยซึ่งมีปฏิสัมพันธ์กับสสารที่มองเห็นได้ด้วยแรงที่เทียบได้กับปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ พวกเขาจะอธิบายมวลลึกลับที่เรียกว่าสสารมืด ซึ่งพบได้บ่อยในจักรวาลมากกว่าสสารธรรมดาถึงห้าเท่า

ที่ LHC ไม่พบ WIMPs ใน 0,003% ของข้อมูลการทดลองเหล่านี้ อย่างไรก็ตามมีวิธีการที่ถูกกว่าสำหรับสิ่งนี้ - ตัวอย่างเช่น การทดลอง XENON-NT (3) ถังซีนอนเหลวขนาดใหญ่ที่อยู่ใต้ดินลึกในอิตาลีและอยู่ในกระบวนการป้อนเข้าสู่เครือข่ายการวิจัย ในถังเก็บซีนอนขนาดใหญ่อีกแห่งหนึ่ง LZ ในเซาท์ดาโคตา การค้นหาจะเริ่มขึ้นในปี 2020

การทดลองอื่นซึ่งประกอบด้วยเครื่องตรวจจับเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความไวสูงเป็นพิเศษเรียกว่า ซูเปอร์KDMS SNOLAB, จะเริ่มอัปโหลดข้อมูลไปยังออนแทรีโอในต้นปี 2020 ดังนั้นโอกาสในการ "ยิง" อนุภาคลึกลับเหล่านี้ในที่สุดในช่วงทศวรรษที่ 20 ของศตวรรษที่ XNUMX เพิ่มขึ้น

Wimps ไม่ใช่ผู้สมัครสสารมืดเพียงคนเดียวที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการ การทดลองสามารถสร้างอนุภาคทางเลือกที่เรียกว่าแอกเซียนซึ่งไม่สามารถสังเกตได้โดยตรงเหมือนนิวตริโน

มีความเป็นไปได้สูงที่ทศวรรษหน้าจะเป็นของการค้นพบที่เกี่ยวข้องกับนิวตริโน พวกมันเป็นหนึ่งในอนุภาคที่มีมากที่สุดในจักรวาล ในเวลาเดียวกัน หนึ่งในการศึกษาที่ยากที่สุด เพราะนิวตริโนมีปฏิกิริยากับสสารธรรมดาน้อยมาก

นักวิทยาศาสตร์รู้มานานแล้วว่าอนุภาคนี้ประกอบด้วยสามรสชาติที่แยกจากกันและสามสถานะมวลที่แยกจากกัน แต่พวกมันไม่ตรงกับรสชาติ และแต่ละรสชาติคือการรวมกันของสามสถานะมวลเนื่องจากกลศาสตร์ควอนตัม นักวิจัยหวังว่าจะค้นหาความหมายที่แท้จริงของมวลสารเหล่านี้และลำดับที่ปรากฏเมื่อนำมารวมกันเพื่อสร้างกลิ่นหอมแต่ละกลิ่น การทดลองเช่น แคทเธอรีน ในประเทศเยอรมนีพวกเขาจะต้องรวบรวมข้อมูลที่จำเป็นเพื่อกำหนดค่าเหล่านี้ในปีต่อ ๆ ไป

3. รุ่นเครื่องตรวจจับ XENON-nT

นิวตริโนมีคุณสมบัติแปลกๆ ตัวอย่างเช่น การเดินทางในอวกาศดูเหมือนจะแกว่งไปมาระหว่างรสนิยมต่างๆ ผู้เชี่ยวชาญจาก หอสังเกตการณ์นิวตริโนใต้ดินเจียงเหมิน ในประเทศจีน ซึ่งคาดว่าจะเริ่มรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับนิวตริโนที่ปล่อยออกมาจากโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ใกล้เคียงในปีหน้า

มีโครงการประเภทนี้ ซุปเปอร์คามิโอกันเดะ, มีข้อสังเกตในญี่ปุ่นมาช้านานแล้ว สหรัฐอเมริกาได้เริ่มสร้างไซต์ทดสอบนิวตริโนของตนเองแล้ว LBNF ในรัฐอิลลินอยส์และการทดลองกับนิวตริโนที่ระดับความลึก DUNES ในเซาท์ดาโคตา

โครงการ LBNF/DUNE ที่ได้รับทุนสนับสนุนจากหลายประเทศมูลค่า 1,5 พันล้านดอลลาร์ คาดว่าจะเริ่มในปี 2024 และดำเนินการอย่างเต็มรูปแบบภายในปี 2027 การทดลองอื่นๆ ที่ออกแบบมาเพื่อไขความลับของนิวตริโน ได้แก่ อเวนิว, ที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ในรัฐเทนเนสซีและ โปรแกรมพื้นฐานนิวตริโนแบบสั้น ในเมือง Fermilab รัฐอิลลินอยส์

ในทางกลับกันในโครงการ ตำนาน-200, มีกำหนดเปิดให้บริการในปี พ.ศ. 2021 จะมีการศึกษาปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการสลายตัวของนิวทริโนเลสแบบดับเบิ้ลเบตา สันนิษฐานว่านิวตรอนสองนิวตรอนจากนิวเคลียสของอะตอมพร้อมๆ กันสลายตัวเป็นโปรตอน ซึ่งแต่ละอันจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมาและ , สัมผัสกับนิวตริโนอีกตัวหนึ่งและทำลายล้าง

หากมีปฏิกิริยาดังกล่าวอยู่ มันก็จะให้หลักฐานว่านิวตริโนเป็นปฏิสสารของพวกมันเอง โดยยืนยันทางอ้อมอีกทฤษฎีหนึ่งเกี่ยวกับเอกภพยุคแรก - อธิบายว่าทำไมจึงมีสสารมากกว่าปฏิสสาร

ในที่สุดนักฟิสิกส์ก็ต้องการที่จะมองเข้าไปในพลังงานมืดลึกลับที่ซึมเข้าไปในอวกาศและทำให้จักรวาลขยายตัว สเปกโทรสโกปีพลังงานมืด เครื่องมือ (DESI) เริ่มทำงานเมื่อปีที่แล้วและคาดว่าจะเปิดตัวในปี 2020 กล้องโทรทรรศน์สำรวจภาพรวมขนาดใหญ่ ในชิลี นำร่องโดย National Science Foundation/Department of Energy โครงการวิจัยเต็มรูปแบบโดยใช้อุปกรณ์นี้ควรเริ่มในปี 2022

อีกด้านหนึ่ง (4) ซึ่งถูกกำหนดให้เป็นงานแห่งทศวรรษที่ผ่านไป ในที่สุดก็จะกลายเป็นวีรบุรุษแห่งการครบรอบยี่สิบปี นอกจากแผนการค้นหาแล้ว การสำรวจดังกล่าวยังมีส่วนช่วยในการศึกษาพลังงานมืดด้วยการสังเกตกาแล็กซีและปรากฏการณ์ของดาราจักรเหล่านั้น

4. การสร้างภาพกล้องโทรทรรศน์เจมส์เวบบ์

เราจะถามอะไรดี

ตามสามัญสำนึก ทศวรรษหน้าในวิชาฟิสิกส์จะไม่ประสบความสำเร็จ หากสิบปีต่อจากนี้ เรากำลังถามคำถามเดิมๆ ที่ยังไม่ได้คำตอบ มันจะดีขึ้นมากเมื่อเราได้คำตอบที่เราต้องการ แต่เมื่อมีคำถามใหม่ๆ เกิดขึ้นด้วย เพราะเราไม่สามารถนับสถานการณ์ที่ฟิสิกส์จะพูดว่า "ฉันไม่มีคำถามอีกแล้ว" อีกต่อไป