¿Cómo salir del callejón sin salida en física?

El colisionador de partículas de próxima generación costará miles de millones de dólares. Hay planes para construir este tipo de dispositivos en Europa y China, pero los científicos se preguntan si esto tiene sentido. ¿Quizás deberíamos buscar una nueva forma de experimentar e investigar que conduzca a un gran avance en la física? 

El Modelo Estándar ha sido confirmado repetidamente, incluso en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), pero no cumple con todas las expectativas de la física. No puede explicar misterios como la existencia de materia oscura y energía oscura, o por qué la gravedad es tan diferente de otras fuerzas fundamentales.

En la ciencia que tradicionalmente se ocupa de tales problemas, hay una manera de confirmar o refutar estas hipótesis. recopilación de datos adicionales - en este caso, de mejores telescopios y microscopios, y tal vez de un completamente nuevo, incluso más grande súper parachoques que creará la oportunidad de ser descubierto partículas supersimétricas.

En 2012, el Instituto de Física de Altas Energías de la Academia de Ciencias de China anunció un plan para construir un contador de súper gigante. Planificado Colisionador de electrones y positrones (CEPC) tendría una circunferencia de unos 100 km, casi cuatro veces la del LHC (1). En respuesta, en 2013, el operador del LHC, es decir, el CERN, anunció su plan para un nuevo dispositivo de colisión llamado Futuro Colisionador Circular (FCC).

1. Comparación de tamaño de los aceleradores CEPC, FCC y LHC planificados.

Sin embargo, los científicos e ingenieros se preguntan si estos proyectos valdrán la enorme inversión. Chen-Ning Yang, ganador del Premio Nobel en física de partículas, criticó la búsqueda de rastros de supersimetría utilizando nueva supersimetría hace tres años en su blog, calificándolo de "juego de adivinanzas". Suposición muy cara. Muchos científicos en China se hicieron eco de él, y en Europa, las luminarias de la ciencia hablaron con el mismo espíritu sobre el proyecto FCC.

Esto fue informado a Gizmodo por Sabine Hossenfelder, física del Instituto de Estudios Avanzados de Frankfurt. -

Los críticos de los proyectos para crear colisionadores más poderosos señalan que la situación es diferente a cuando se construyó. En ese momento se sabía que incluso estábamos buscando Bogs Higgs. Ahora los objetivos están menos definidos. Y el silencio en los resultados de los experimentos realizados por el Gran Colisionador de Hadrones actualizado para acomodar el descubrimiento de Higgs, sin hallazgos revolucionarios desde 2012, es algo siniestro.

Además, existe un hecho bien conocido, pero quizás no universal, de que todo lo que sabemos sobre los resultados de los experimentos en el LHC proviene del análisis de solo alrededor del 0,003% de los datos obtenidos entonces. Simplemente no podíamos manejar más. No se puede descartar que las respuestas a las grandes preguntas de la física que nos acechan estén ya en el 99,997% que no nos hemos planteado. Entonces, tal vez no necesite tanto construir otra máquina grande y costosa, sino encontrar una manera de analizar mucha más información.

Vale la pena considerarlo, especialmente porque los físicos esperan exprimir aún más el automóvil. Un tiempo de inactividad de dos años (supuesto) que comenzó recientemente mantendrá el colisionador inactivo hasta 2021, lo que permitirá el mantenimiento (2). Luego comenzará a operar con energías similares o un poco más altas, antes de someterse a una actualización importante en 2023, con finalización programada para 2026.

Esta modernización costará mil millones de dólares (barato en comparación con el costo planificado de la FCC), y su objetivo es crear un supuesto. Alta luminosidad-LHC. Para 2030, esto podría multiplicar por diez el número de colisiones que produce un automóvil por segundo.

2. Trabajos de reparación en el LHC

era un neutrino

Una de las partículas que no fue detectada en el LHC, aunque se esperaba, es WIMP (-Débilmente partículas masivas de interacción). Estas son partículas hipotéticas pesados (de 10 GeV / s² a varios TeV / s², mientras que la masa del protón es ligeramente inferior a 1 GeV / s²) que interactúa con la materia visible con una fuerza comparable a la interacción débil. Explicarían una masa misteriosa llamada materia oscura, que es cinco veces más común en el universo que la materia ordinaria.

En el LHC, no se encontraron WIMP en este 0,003% de los datos experimentales. Sin embargo, existen métodos más baratos para esto, por ejemplo. Experimento XENON-NT (3), Una enorme cuba de xenón líquido a gran profundidad en Italia y en el proceso de ser alimentado a la red de investigación. En otra enorme cuba de xenón, LZ en Dakota del Sur, la búsqueda se iniciará tan pronto como 2020.

Otro experimento, que consiste en detectores de semiconductores ultrafríos supersensibles, se llama SuperKDMS SNOLAB, comenzará a cargar datos en Ontario a principios de 2020. Por lo que las posibilidades de que finalmente se “disparen” estas misteriosas partículas en los años 20 del siglo XX son cada vez mayores.

Los débiles no son los únicos candidatos a materia oscura que buscan los científicos. En cambio, los experimentos pueden producir partículas alternativas llamadas axiones, que no se pueden observar directamente como los neutrinos.

Es muy probable que la próxima década sea de descubrimientos relacionados con los neutrinos. Se encuentran entre las partículas más comunes del universo. Al mismo tiempo, uno de los más difíciles de estudiar, porque los neutrinos interactúan muy débilmente con la materia ordinaria.

Los científicos saben desde hace tiempo que esta partícula se compone de tres llamados sabores separados y tres estados de masa separados, pero no coinciden exactamente con los sabores, y cada sabor es una combinación de tres estados de masa debido a la mecánica cuántica. Los investigadores esperan descubrir los significados exactos de estas masas y el orden en que aparecen cuando se combinan para crear cada fragancia. Experimentos como katherine en Alemania deberán recopilar los datos necesarios para determinar estos valores en los próximos años.

3. Modelo de detector XENON-nT

Los neutrinos tienen propiedades extrañas. Viajando en el espacio, por ejemplo, parecen oscilar entre gustos. expertos de Observatorio subterráneo de neutrinos de Jiangmen en China, que se espera que comience a recopilar datos sobre los neutrinos emitidos por las centrales nucleares cercanas el próximo año.

Hay un proyecto de este tipo. Super-Kamiokande, Las observaciones en Japón han estado ocurriendo durante mucho tiempo. Estados Unidos comenzó la construcción de sus propios sitios de prueba de neutrinos. LBNF en Illinois y un experimento con neutrinos en profundidad DUNE en Dakota del Sur.

Se espera que el proyecto LBNF/DUNE de USD 1,5 millones, financiado por varios países, comience en 2024 y esté en pleno funcionamiento en 2027. Otros experimentos diseñados para descubrir los secretos del neutrino incluyen AVENIDA, en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en Tennessee, y programa de neutrinos de referencia corta, en Fermilab, Illinois.

A su vez, en el proyecto leyenda-200, Programado para abrir en 2021, se estudiará un fenómeno conocido como desintegración beta doble sin neutrinos. Se supone que dos neutrones del núcleo de un átomo decaen simultáneamente en protones, cada uno de los cuales expulsa un electrón y , entra en contacto con otro neutrino y se aniquila.

Si tal reacción existiera, proporcionaría evidencia de que los neutrinos son su propia antimateria, confirmando indirectamente otra teoría sobre el universo primitivo, explicando por qué hay más materia que antimateria.

Los físicos también quieren investigar finalmente la misteriosa energía oscura que se filtra en el espacio y hace que el universo se expanda. Espectroscopia de energía oscura La herramienta (DESI) solo comenzó a funcionar el año pasado y se espera que se lance en 2020. Gran telescopio de reconocimiento sinóptico en Chile, pilotado por la Fundación Nacional de Ciencias/Departamento de Energía, un programa de investigación completo que utilice este equipo debería comenzar en 2022.

Por otro lado (4), que estaba destinado a convertirse en el acontecimiento de la década saliente, acabará convirtiéndose en el héroe del vigésimo aniversario. Además de las búsquedas previstas, contribuirá al estudio de la energía oscura mediante la observación de galaxias y sus fenómenos.

4. Visualización del Telescopio James Webb

que vamos a preguntar

En sentido común, la próxima década en física no será exitosa si dentro de diez años nos hacemos las mismas preguntas sin respuesta. Será mucho mejor cuando obtengamos las respuestas que queremos, pero también cuando surjan preguntas completamente nuevas, porque no podemos contar con una situación en la que la física diga: "No tengo más preguntas", nunca.