物理学の行き詰まりから抜け出すには？

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それはニュートリノでした
何を尋ねますか

次世代の粒子衝突器には数十億ドルの費用がかかります。ヨーロッパや中国でも同様の装置を製造する計画があるが、科学者らはこれが理にかなっているのか疑問を抱いている。もしかしたら、物理学のブレークスルーにつながる新しい実験や研究の方法を探したほうがよいでしょうか?

標準模型は大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) などで何度も確認されていますが、物理学の期待をすべて満たしているわけではありません。暗黒物質や暗黒エネルギーの存在や、重力が他の基本的な力と大きく異なる理由などの謎を説明することはできません。

伝統的にこのような問題を扱う科学では、これらの仮説を確認または反駁する方法があります。 追加データの収集 - この場合、より優れた望遠鏡や顕微鏡から、そしておそらく完全に新しい、さらに大きなものから スーパーバンパー 発見される可能性が生まれます 超対称性粒子。

2012年、中国科学院高エネルギー物理研究所は巨大なスーパーカウンターを建設する計画を発表した。計画済み 電子陽電子衝突型加速器 (CEPC) 周囲は約 100 km で、LHC のほぼ XNUMX 倍の大きさになります (1）。これに応じて、2013年にLHCの運営者、つまりCERNは、と呼ばれる新しい衝突装置を作成する計画を発表しました。 将来の円形衝突型加速器 (FCC).

1. 計画されている加速器 CEPC、FCC、LHC のサイズの比較。

しかし、科学者や技術者は、これらのプロジェクトに巨額の投資をする価値があるかどうか疑問に思っています。ノーベル素粒子物理学賞受賞者のヤン・チェンニン氏は、XNUMX年前のブログ投稿で、新しい超対称性を使った超対称性の痕跡探索を「推測ゲーム」と批判した。非常に高価な推測です。中国では多くの科学者が彼の発言に同調し、ヨーロッパでも科学界の著名人たちがFCCプロジェクトについて同じ精神で語った。

これは、フランクフルトの高等研究所の物理学者、サビーン・ホッセンフェルダーによって Gizmodo に報告されました。 -

より強力な衝突型加速器を構築するプロジェクトの批評家は、開発当時とは状況が異なっていることに注目しています。当時、私たちが探していることさえ知られていました ヒッグス粒子。 現在、目標はあまり定義されていません。そして、ヒッグス発見のために改良された大型ハドロン衝突型加速器によって行われた実験結果が沈黙していること（2012年以来、画期的な発見が一つも見つかっていないこと）は、いくぶん不気味だ。

さらに、おそらく誰もが知っているわけではありませんが、次のような事実があります。 LHC 実験の結果について私たちが知っていることはすべて、その時に得られたデータのわずか約 0,003% の分析から得られたものです。もうこれ以上は耐えられませんでした。私たちを悩ませている物理学の大きな疑問に対する答えは、私たちが検討していない99,997%の中にすでに含まれている可能性を排除することはできません。では、あなたに必要なのは、大きくて高価なマシンを新たに構築することではなく、より多くの情報を分析する方法を見つけることかもしれません?

特に物理学者はマシンからさらに多くのことを搾り出したいと考えているため、検討する価値はあります。最近始まった 2021 年間のダウンタイム (いわゆる) により、衝突型加速器は XNUMX 年までアイドル状態に保たれ、メンテナンスが可能になります (2）。その後、同程度かわずかに高いエネルギーで運用を開始し、2023年に大規模改修が行われ、完成は2026年に予定されています。

この近代化には XNUMX 億ドルの費用がかかります (FKK の計画コストと比較して安い)。その目標は、いわゆるものを作成することです。 高輝度-LHC。 これにより、2030 年までに、自動車が XNUMX 秒あたりに起こす衝突回数が XNUMX 倍に増加する可能性があります。

2. LHCの改修工事

それはニュートリノでした

LHCで期待されていたにもかかわらず検出されなかった粒子のXNUMXつは、弱虫 (- 弱く相互作用する巨大な粒子)。これらは仮想の重粒子 (10 GeV/s² から数 TeV/s²、陽子の質量は 1 GeV/s² よりわずかに小さい) であり、弱い相互作用に匹敵する力で可視物質と相互作用します。彼らは、宇宙に通常の物質のXNUMX倍存在するダークマターと呼ばれる謎の謎の塊を説明するでしょう。

LHC では、これらの実験データの 0,003% に WIMP は見つかりませんでした。ただし、これにはより安価な方法があります-たとえば。 XENON-nT実験 (3）、イタリアの地下深くにある液体キセノンの巨大なタンクであり、研究ネットワークに供給される過程にあります。サウスダコタ州着陸地帯にある別の巨大なキセノン貯蔵タンクでは、2020年に捜索が始まる予定だ。

別の実験は、超高感度超低温半導体検出器で構成されており、 SuperKDMS SNOLAB、 2020 年初頭にオンタリオ州でデータのダウンロードを開始する予定です。したがって、20年代にこれらの謎の粒子が最終的に「捕捉」される可能性が高まっています。

科学者たちが探しているダークマター候補は弱虫だけではない。代わりに、ニュートリノのように直接観測できないアクシオンと呼ばれる代替粒子を実験で生成することができます。

今後 XNUMX 年はニュートリノに関連する発見が中心となる可能性が非常に高いです。これらは宇宙で最も一般的な粒子の XNUMX つです。同時に、ニュートリノは通常の物質との相互作用が非常に弱いため、研究が最も難しいもののXNUMXつです。

科学者たちは、この粒子が XNUMX つの別々のいわゆるフレーバーと XNUMX つの別々の質量状態で構成されていることを長い間知っていましたが、それらはフレーバーと完全には一致しておらず、各フレーバーは量子力学により XNUMX つの質量状態の組み合わせです。研究者たちは、これらの塊の正確な意味と、それらが組み合わされてそれぞれの香りを作り出すときに現れる順序を見つけたいと考えています. などの実験 キャサリン ドイツでは、今後数年間でこれらの値を決定するために必要なデータを収集する必要があります。

3. XENON-nT 検出器モデル

ニュートリノには奇妙な性質があります。たとえば宇宙を旅行するとき、好みの間を行き来するように見えます。の専門家 江門地下ニュートリノ観測所 中国では来年、近くの原子力発電所から放出されるニュートリノのデータ収集を開始する予定だ。

同様のタイプのプロジェクトがあります スーパーカミオカンデ、 日本では古くから観測が行われてきました。米国は独自のニュートリノ実験場の建設を開始した。 LBNF イリノイ州での深層ニュートリノ実験砂丘サウスダコタ州で。

1,5 億ドルの複数国が資金を提供する LBNF/DUNE プロジェクトは 2024 年に開始され、2027 年までに完全に稼働する予定です。ニュートリノの秘密を明らかにするために設計された他の実験には、次のものがあります。 アベニュー、 テネシー州のオークリッジ国立研究所で、 短基線ニュートリノプログラム、 イリノイ州フェルミ研究所にある。

転じて、プロジェクトでは、 レジェンド-200、 2021 年にオープン予定で、ニュートリノのない二重ベータ崩壊として知られる現象を研究する予定です。原子核からの XNUMX つの中性子が同時に陽子に崩壊し、それぞれが電子を放出し、 , 別のニュートリノと接触して消滅します。

もしそのような反応が存在すれば、ニュートリノがそれ自身の反物質であるという証拠が得られ、初期宇宙に関する別の理論が間接的に裏付けられ、なぜ反物質よりも物質が存在するのかが説明されることになる。

物理学者らはまた、宇宙に浸透し、宇宙の膨張につながる神秘的な暗黒エネルギーを最終的に研究したいと考えている。 暗黒エネルギー分光法 このツール (DESI) は昨年公開されたばかりで、2020 年に公開される予定です。 大型シノプティックサーベイ望遠鏡 国立科学財団/エネルギー省によって試験的にチリで行われ、この装置を使用した本格的な研究プログラムは2022年に開始される予定です。

С другой стороны (4) は、これからの XNUMX 年間の出来事となる運命にあったが、最終的には XNUMX 年代のヒーローとなるでしょう。計画された探索に加えて、銀河とその現象を観察することでダークエネルギーの研究に貢献する予定です。

4. ジェームズ・ウェッブ望遠鏡の可視化

何を尋ねますか

今から XNUMX 年後、私たちが同じ答えのない質問をしているとしたら、物理学では次の XNUMX 年が成功しないのは常識です。望む答えが得られたときだけでなく、まったく新しい疑問が生じたときも、はるかに良くなります。なぜなら、物理学が「これ以上質問はありません」という状況を当てにすることはできないからです。