როგორ გამოვიდეთ ფიზიკაში არსებული ჩიხიდან?

შემდეგი თაობის ნაწილაკების კოლაიდერი მილიარდობით დოლარი დაჯდება. ასეთი მოწყობილობების შექმნა ევროპასა და ჩინეთში იგეგმება, მაგრამ მეცნიერები კითხულობენ, აქვს თუ არა ამას აზრი. იქნებ ექსპერიმენტებისა და კვლევის ახალი გზა უნდა ვეძებოთ, რომელიც ფიზიკაში გარღვევას გამოიწვევს? 

სტანდარტული მოდელი არაერთხელ დადასტურდა, მათ შორის დიდ ადრონულ კოლაიდერზე (LHC), მაგრამ ის არ აკმაყოფილებს ფიზიკის ყველა მოლოდინს. მას არ შეუძლია ახსნას საიდუმლოებები, როგორიცაა ბნელი მატერიისა და ბნელი ენერგიის არსებობა, ან რატომ არის გრავიტაცია ასე განსხვავებული სხვა ფუნდამენტური ძალებისგან.

მეცნიერებაში, რომელიც ტრადიციულად ეხება ასეთ პრობლემებს, არსებობს ამ ჰიპოთეზების დადასტურების ან უარყოფის გზა. დამატებითი მონაცემების შეგროვება - ამ შემთხვევაში, უკეთესი ტელესკოპებიდან და მიკროსკოპებიდან და შესაძლოა სრულიად ახალი, კიდევ უფრო დიდი სუპერ ბამპერი რაც შექმნის შანსს აღმოჩენის სუპერსიმეტრიული ნაწილაკები.

2012 წელს ჩინეთის მეცნიერებათა აკადემიის მაღალი ენერგიის ფიზიკის ინსტიტუტმა გამოაცხადა გიგანტური სუპერ მრიცხველის აშენების გეგმა. დაგეგმილი ელექტრონ პოზიტრონის კოლაიდერი (CEPC) მას ექნებოდა დაახლოებით 100 კმ გარშემოწერილობა, თითქმის ოთხჯერ აღემატება LHC-ს (1). ამის საპასუხოდ, 2013 წელს, LHC-ის ოპერატორმა, ანუ CERN-მა გამოაცხადა ახალი შეჯახების მოწყობილობის გეგმა ე.წ. მომავალი წრიული კოლაიდერი (FCC).

1. დაგეგმილი CEPC, FCC და LHC ამაჩქარებლების ზომის შედარება.

თუმცა, მეცნიერებსა და ინჟინრებს აინტერესებთ, ღირს თუ არა ეს პროექტები უზარმაზარი ინვესტიციისთვის. ნაწილაკების ფიზიკაში ნობელის პრემიის ლაურეატი ჩენ-ნინგ იანგი სამი წლის წინ თავის ბლოგზე გააკრიტიკა სუპერსიმეტრიის კვალის ძიება ახალი სუპერსიმეტრიის გამოყენებით და მას "გამოცნობის თამაში" უწოდა. ძალიან ძვირი ვარაუდი. მას გამოეხმაურა მრავალი მეცნიერი ჩინეთში, ევროპაში კი მეცნიერების მნათობებმა იმავე სულისკვეთებით ისაუბრეს FCC პროექტზე.

ამის შესახებ Gizmodo-ს განუცხადა ფრანკფურტის გაფართოებული კვლევების ინსტიტუტის ფიზიკოსმა საბინე ჰოსენფელდერმა. -

უფრო მძლავრი კოლაიდერების შექმნის პროექტების კრიტიკოსები აღნიშნავენ, რომ სიტუაცია განსხვავდება მისი აშენებისგან. იმ დროს ცნობილი იყო, რომ ვეძებდით კიდეც ჰიგსის ბოზონი. ახლა მიზნები ნაკლებად არის განსაზღვრული. დიდი ჰადრონული კოლაიდერის მიერ ჩატარებული ექსპერიმენტების შედეგების სიჩუმე, რომელიც განახლებულია ჰიგსის აღმოჩენის დასაკმაყოფილებლად - 2012 წლის შემდეგ გარღვევის გარეშე - გარკვეულწილად საშინელია.

გარდა ამისა, არის ცნობილი, მაგრამ შესაძლოა არა უნივერსალური ფაქტი, რომ ყველაფერი, რაც ვიცით LHC-ზე ექსპერიმენტების შედეგების შესახებ, მაშინ მიღებული მონაცემების მხოლოდ დაახლოებით 0,003%-ის ანალიზიდან მოდის. მეტს უბრალოდ ვერ გავუმკლავდით. არ არის გამორიცხული, რომ პასუხები ფიზიკის დიდ კითხვებზე, რომლებიც გვაწუხებს, უკვე იმ 99,997%-შია, რომელიც ჩვენ არ განვიხილეთ. იქნებ დაგჭირდეთ არა იმდენად დიდი და ძვირადღირებული აპარატის ასაშენებლად, არამედ იმისთვის, რომ იპოვოთ გზა ბევრად მეტი ინფორმაციის გასაანალიზებლად?

გასათვალისწინებელია, მით უმეტეს, რომ ფიზიკოსები იმედოვნებენ, რომ მანქანიდან კიდევ უფრო მეტი გამოძევება. ორწლიანი შეფერხება (ე.წ.), რომელიც ახლახან დაიწყო, კოლაიდერს უმოქმედოდ დატოვებს 2021 წლამდე, რაც შესაძლებელს გახდის მოვლას (2). ამის შემდეგ ის დაიწყებს მუშაობას მსგავსი ან გარკვეულწილად უფრო მაღალი ენერგიებით, სანამ 2023 წელს დიდ განახლებას გაივლის, დასრულება კი 2026 წელს იგეგმება.

ეს განახლება ერთი მილიარდი დოლარი დაჯდება (იაფია FCC-ის დაგეგმილ ღირებულებასთან შედარებით) და მისი მიზანია შექმნას ე.წ. მაღალი სიკაშკაშე-LHC. 2030 წლისთვის ამან შეიძლება ათჯერ გაზარდოს ავტომობილის შეჯახების რაოდენობა წამში.

2. სარემონტო სამუშაოები LHC-ზე

ეს იყო ნეიტრინო

ერთ-ერთი ნაწილაკი, რომელიც არ იქნა აღმოჩენილი LHC-ზე, თუმცა მოსალოდნელი იყო, რომ ეს იყო ვიმპ (-სუსტად ურთიერთქმედების მასიური ნაწილაკები). ეს არის ჰიპოთეტური მძიმე ნაწილაკები (10 GeV/s²-დან რამდენიმე TeV/s²-მდე, ხოლო პროტონის მასა ოდნავ ნაკლებია 1 GeV/s²-ზე), რომლებიც ურთიერთქმედებენ ხილულ მატერიასთან სუსტი ურთიერთქმედების ძალით. ისინი ხსნიდნენ იდუმალ მასას, რომელსაც ბნელი მატერია ჰქვია, რომელიც სამყაროში ხუთჯერ უფრო გავრცელებულია, ვიდრე ჩვეულებრივი მატერია.

LHC-ზე, ექსპერიმენტული მონაცემების ამ 0,003%-ში WIMP-ები არ იქნა ნაპოვნი. თუმცა, არსებობს ამისთვის უფრო იაფი მეთოდები - მაგალითად. XENON-NT ექსპერიმენტი (3), თხევადი ქსენონის უზარმაზარი ღუმელი მიწისქვეშეთში იტალიაში და კვლევით ქსელში შეყვანის პროცესში. ქსენონის კიდევ ერთ უზარმაზარ ქვაბში, LZ სამხრეთ დაკოტაში, ძებნა დაიწყება უკვე 2020 წელს.

კიდევ ერთი ექსპერიმენტი, რომელიც შედგება სუპერმგრძნობიარე ულტრაცივი ნახევარგამტარული დეტექტორებისგან, ე.წ SuperKDMS SNOLAB, ონტარიოში მონაცემების ატვირთვას 2020 წლის დასაწყისში დაიწყებს. ასე რომ, 20 საუკუნის XNUMX-იან წლებში ამ იდუმალი ნაწილაკების საბოლოოდ "გასროლის" შანსები იზრდება.

ვიმპები არ არიან ერთადერთი ბნელი მატერიის კანდიდატები, რომლებსაც მეცნიერები ეძებენ. ამის ნაცვლად, ექსპერიმენტებს შეუძლიათ წარმოქმნან ალტერნატიული ნაწილაკები, რომელსაც ეწოდება აქსიონები, რომლებიც უშუალოდ არ შეიძლება დაკვირვებული იყოს ნეიტრინოების მსგავსად.

ძალიან სავარაუდოა, რომ შემდეგი ათწლეული მიეკუთვნება აღმოჩენებს, რომლებიც დაკავშირებულია ნეიტრინოებთან. ისინი სამყაროს ყველაზე უხვი ნაწილაკებს შორის არიან. ამავე დროს, ერთ-ერთი ყველაზე რთული შესასწავლია, რადგან ნეიტრინო ძალიან სუსტად ურთიერთქმედებს ჩვეულებრივ მატერიასთან.

მეცნიერებმა დიდი ხანია იცოდნენ, რომ ეს ნაწილაკი შედგება სამი ცალკეული ე.წ. მკვლევარები იმედოვნებენ, რომ გაარკვიონ ამ მასების ზუსტი მნიშვნელობა და მათი გამოჩენის თანმიმდევრობა, როდესაც ისინი შერწყმულია თითოეული სუნამოს შესაქმნელად. ექსპერიმენტები, როგორიცაა ეკატერინე გერმანიაში მათ უნდა შეაგროვონ მონაცემები, რომლებიც აუცილებელია ამ მნიშვნელობების დასადგენად უახლოეს წლებში.

3. XENON-nT დეტექტორის მოდელი

ნეიტრინოებს უცნაური თვისებები აქვთ. მაგალითად, კოსმოსში მოგზაურობისას ისინი თითქოს მერყეობენ გემოვნებას შორის. ექსპერტები ჯიანგმენის მიწისქვეშა ნეიტრინო ობსერვატორია ჩინეთში, რომელიც სავარაუდოდ მომავალ წელს დაიწყებს ახლომდებარე ატომური ელექტროსადგურებიდან გამოსხივებული ნეიტრინოების შესახებ მონაცემების შეგროვებას.

არის ამ ტიპის პროექტი სუპერ კამიოკანდე, იაპონიაში დაკვირვებები დიდი ხანია მიმდინარეობს. შეერთებულმა შტატებმა დაიწყო საკუთარი ნეიტრინო საცდელი უბნების მშენებლობა. LBNF ილინოისში და ექსპერიმენტი ნეიტრინოებით სიღრმეში დუნე სამხრეთ დაკოტაში.

1,5 მილიარდი დოლარის მრავალ ქვეყანაში დაფინანსებული LBNF/DUNE პროექტი სავარაუდოდ 2024 წელს დაიწყება და სრულად ამოქმედდება 2027 წლისთვის. სხვა ექსპერიმენტები, რომლებიც შექმნილია ნეიტრინოს საიდუმლოებების გასახსნელად, მოიცავს გამზირი, ოუკ რიჯის ეროვნულ ლაბორატორიაში ტენესის შტატში და მოკლე საბაზისო ნეიტრინო პროგრამა, ფერმილაბში, ილინოისში.

თავის მხრივ, პროექტში ლეგენდა-200, 2021 წელს გასახსნელად დაგეგმილი ფენომენი, რომელიც ცნობილია როგორც უნეიტრინო ორმაგი ბეტა დაშლა, შეისწავლება. ვარაუდობენ, რომ ორი ნეიტრონი ატომის ბირთვიდან ერთდროულად იშლება პროტონებად, რომელთაგან თითოეული გამოდევნის ელექტრონს და , შედის კონტაქტში სხვა ნეიტრინოსთან და ანადგურებს.

თუ ასეთი რეაქცია არსებობდა, ეს იქნებოდა იმის მტკიცებულება, რომ ნეიტრინოები საკუთარი ანტიმატერიაა, რაც ირიბად ადასტურებს სხვა თეორიას ადრეული სამყაროს შესახებ - განმარტავს, რატომ არის უფრო მეტი მატერია, ვიდრე ანტიმატერია.

ფიზიკოსებს ასევე სურთ საბოლოოდ შეისწავლონ იდუმალი ბნელი ენერგია, რომელიც აღწევს სივრცეში და იწვევს სამყაროს გაფართოებას. ბნელი ენერგიის სპექტროსკოპია ინსტრუმენტმა (DESI) მხოლოდ გასულ წელს დაიწყო მუშაობა და სავარაუდოდ 2020 წელს ამოქმედდება. დიდი სინოპტიკური კვლევის ტელესკოპი ჩილეში, ეროვნული სამეცნიერო ფონდის/ენერგეტიკის დეპარტამენტის პილოტირებაში, ამ აღჭურვილობის გამოყენებით სრულფასოვანი კვლევითი პროგრამა 2022 წელს უნდა დაიწყოს.

С другой стороны (4), რომელიც განზრახული იყო გამხდარიყო გამავალი ათწლეულის მოვლენა, საბოლოოდ გახდება მეოცე წლისთავის გმირი. დაგეგმილი ძიებების გარდა, ის ხელს შეუწყობს ბნელი ენერგიის შესწავლას გალაქტიკებზე და მათ ფენომენებზე დაკვირვებით.

4. ჯეიმს უების ტელესკოპის ვიზუალიზაცია

რის კითხვას ვაპირებთ

საღი გაგებით, მომდევნო ათწლეული ფიზიკაში არ იქნება წარმატებული, თუ ათი წლის შემდეგ ჩვენ დავსვით იგივე პასუხგაუცემელი კითხვები. ბევრად უკეთესი იქნება, როცა ჩვენ მივიღებთ სასურველ პასუხებს, მაგრამ ასევე, როცა სრულიად ახალი კითხვები გაჩნდება, რადგან ვერასდროს ვერ ვითვლით სიტუაციას, რომელშიც ფიზიკა იტყვის: „მეტი კითხვები არ მაქვს“.