물리학의 교착 상태에서 벗어나는 방법은 무엇입니까?
차세대 입자 가속기는 수십억 달러의 비용이 듭니다. 유럽과 중국에서 그러한 장치를 만들 계획이 있지만 과학자들은 이것이 말이 되는지 의문을 제기합니다. 물리학의 돌파구로 이어질 새로운 실험 및 연구 방법을 찾아야 할까요?
표준 모델은 LHC(Large Hadron Collider)를 포함하여 반복적으로 확인되었지만 물리학의 모든 기대치를 충족하지는 않습니다. 그것은 암흑 물질과 암흑 에너지의 존재 또는 중력이 다른 근본적인 힘과 왜 그렇게 다른지와 같은 신비를 설명할 수 없습니다.
전통적으로 이러한 문제를 다루는 과학에는 이러한 가설을 확인하거나 반박하는 방법이 있습니다. 추가 데이터 수집 - 이 경우 더 나은 망원경과 현미경, 그리고 아마도 완전히 새롭고 더 큰 슈퍼 범퍼 발견할 수 있는 기회를 만들 것입니다. 초대칭 입자.
2012년 중국과학원 고에너지 물리학 연구소는 거대한 슈퍼카운터 건설 계획을 발표했다. 예정 전자 양전자 충돌기(CEPC) 둘레는 약 100km로 LHC의 거의 XNUMX배에 달한다.1). 이에 대해 2013년 LHC 운영자인 CERN은 새로운 충돌 장치에 대한 계획을 발표했습니다. FCC(Future Circular Collider).
1. 계획된 CEPC, FCC 및 LHC 가속기의 크기 비교.
그러나 과학자와 엔지니어들은 이러한 프로젝트가 막대한 투자 가치가 있는지 궁금해하고 있습니다. 입자 물리학 분야의 노벨상 수상자 Chen-Ning Yang은 XNUMX년 전 자신의 블로그에서 새로운 초대칭을 사용하여 초대칭의 흔적을 찾는 것을 "추측 게임"이라고 비판했습니다. 매우 비싼 추측입니다. 그는 중국의 많은 과학자들에게 반향을 일으켰고, 유럽의 과학자들은 FCC 프로젝트에 대해 같은 정신으로 말했습니다.
이것은 프랑크푸르트 고급 연구 연구소의 물리학자인 Sabine Hossenfelder가 Gizmodo에 보고했습니다. -
더 강력한 콜라이더를 만들기 위한 프로젝트의 비평가들은 그것이 구축되었을 때와 상황이 다르다는 점에 주목합니다. 우리가 찾고 있다는 것도 그 당시에 알려졌습니다. 힉스 입자. 이제 목표가 덜 정의되었습니다. 그리고 2012년 이후 획기적인 발견이 없는 힉스 발견을 수용하기 위해 업그레이드된 대형 강입자 가속기(Large Hadron Collider)가 수행한 실험 결과의 침묵은 다소 불길합니다.
또한 잘 알려져 있지만 보편적이지 않은 사실이 있습니다. LHC 실험 결과에 대해 우리가 알고 있는 모든 것은 그때 얻은 데이터의 약 0,003%만을 분석한 것입니다. 우리는 더 이상 처리할 수 없습니다. 우리를 괴롭히는 물리학의 위대한 질문에 대한 답은 이미 우리가 고려하지 않은 99,997%에 있다는 것을 배제할 수 없습니다. 그렇다면 또 다른 크고 값비싼 기계를 만드는 것이 아니라 훨씬 더 많은 정보를 분석하는 방법을 찾는 것이 필요할까요?
특히 물리학자들이 기계에서 더 많은 것을 짜내기를 희망하기 때문에 고려할 가치가 있습니다. 최근에 시작된 2021년간의 다운타임(소위)은 충돌기를 XNUMX년까지 비활성 상태로 유지하여 유지 관리를 허용합니다.2). 그런 다음 비슷하거나 약간 더 높은 에너지에서 작동을 시작한 후 2023년에 대대적인 업그레이드를 거쳐 2026년에 완공될 예정입니다.
이 업그레이드 비용은 XNUMX억 달러(FCC의 계획된 비용에 비해 저렴함)이며, 그 목표는 소위 만드는 것입니다. 고광도-LHC. 2030년까지 이것은 자동차가 초당 생성하는 충돌 횟수의 XNUMX배로 증가할 수 있습니다.
2. LHC 보수공사
뉴트리노였다
예상했지만 LHC에서 검출되지 않은 입자 중 하나는 윔프 (-약하게 상호 작용하는 거대한 입자). 이들은 약한 상호 작용에 필적하는 힘으로 보이는 물질과 상호 작용하는 가상의 무거운 입자 (10 GeV / s²에서 수 TeV / s²까지, 양성자 질량은 1 GeV / s²보다 약간 작음)입니다. 그들은 일반 물질보다 우주에서 XNUMX배 더 흔한 암흑 물질이라는 신비한 덩어리를 설명할 것입니다.
LHC에서는 실험 데이터의 0,003%에서 WIMP가 발견되지 않았습니다. 그러나 예를 들어 더 저렴한 방법이 있습니다. XENON-NT 실험 (3), 이탈리아 지하 깊숙한 곳에서 연구 네트워크에 공급되는 과정에 있는 액체 크세논의 거대한 통. 또 다른 거대한 크세논 통인 사우스다코타의 LZ에서는 빠르면 2020년부터 탐색이 시작됩니다.
초고감도 초저온 반도체 검출기로 구성된 또 다른 실험은 슈퍼KDMS 스노랩, 2020년 초에 데이터를 온타리오에 업로드하기 시작할 것입니다. 따라서 20 세기 XNUMX 년대에이 신비한 입자를 마침내 "촬영"할 가능성이 높아지고 있습니다.
Wimps는 과학자들이 쫓는 유일한 암흑 물질 후보가 아닙니다. 대신 실험을 통해 뉴트리노처럼 직접 관찰할 수 없는 액시온이라는 대체 입자를 생성할 수 있습니다.
다음 XNUMX년은 뉴트리노와 관련된 발견에 속할 가능성이 매우 높습니다. 그들은 우주에서 가장 풍부한 입자 중 하나입니다. 동시에 중성미자는 일반 물질과 매우 약하게 상호 작용하기 때문에 연구하기 가장 어려운 것 중 하나입니다.
과학자들은 이 입자가 소위 세 가지 개별적인 맛과 세 가지 개별적인 질량 상태로 구성되어 있다는 것을 오랫동안 알고 있었습니다. 그러나 그것들은 맛과 정확히 일치하지 않으며 각 맛은 양자 역학으로 인해 세 가지 질량 상태의 조합입니다. 연구자들은 이 덩어리들의 정확한 의미와 그것들이 결합되어 각각의 향기를 만들 때 나타나는 순서를 알아내고자 합니다. 다음과 같은 실험 캐서린 독일에서는 앞으로 이러한 가치를 결정하는 데 필요한 데이터를 수집해야 합니다.
3. XENON-nT 검출기 모델
뉴트리노는 이상한 성질을 가지고 있습니다. 예를 들어 우주를 여행하면서 취향 사이를 오가는 것 같습니다. 의 전문가 강문 지하 중성미자 천문대 중국은 내년부터 인근 원전에서 방출되는 중성미자 데이터 수집을 시작할 예정이다.
이런 종류의 프로젝트가 있습니다 슈퍼카미오칸데, 일본에서의 관찰은 오랫동안 계속되어 왔습니다. 미국은 자체 중성미자 테스트 사이트를 구축하기 시작했습니다. LBNF 일리노이에서 중성미자 깊이 실험 모래 언덕 사우스다코타에서.
1,5억 달러 규모의 다국적 자금 지원을 받는 LBNF/DUNE 프로젝트는 2024년에 시작되어 2027년까지 완전히 운영될 것으로 예상됩니다. 뉴트리노의 비밀을 밝히기 위해 고안된 다른 실험에는 다음이 포함됩니다. 수단, 테네시의 Oak Ridge National Laboratory에서, 그리고 짧은 기준선 중성미자 프로그램, 일리노이주 페르미랩에서.
차례로, 프로젝트에서 레전드-200, 2021년에 개장할 예정인 중성미자 없는 이중 베타 붕괴로 알려진 현상이 연구될 것입니다. 원자핵에서 나온 두 개의 중성자가 동시에 양성자로 붕괴하고 각각의 전자를 방출하고 , 다른 중성미자와 접촉하여 소멸합니다.
그러한 반응이 존재한다면 중성미자가 자체 반물질이라는 증거를 제공하여 초기 우주에 대한 또 다른 이론을 간접적으로 확인하여 반물질보다 물질이 더 많은 이유를 설명합니다.
물리학자들도 마침내 우주를 관통하고 우주 팽창을 이끄는 신비한 암흑 에너지를 연구하기를 원합니다. 암흑 에너지 분광법 이 도구(DESI)는 작년에야 작동하기 시작했으며 2020년에 출시될 예정입니다. 대형 시놉틱 측량 망원경 칠레에서는 National Science Foundation/Department of Energy가 시범적으로 이 장비를 사용하는 본격적인 연구 프로그램을 2022년에 시작해야 합니다.
С другой стороны (4), 나가는 XNUMX년의 사건이 될 운명이었던, 결국 XNUMX주년의 주인공이 될 것입니다. 계획된 탐색 외에도 은하와 그 현상을 관찰하여 암흑 에너지 연구에 기여할 것입니다.
4. 제임스 웹 망원경의 시각화
우리는 무엇을 물어볼 것입니까?
상식적으로, 지금부터 XNUMX년 후에 우리가 답이 없는 동일한 질문을 하고 있다면 물리학의 다음 XNUMX년은 성공하지 못할 것입니다. 우리가 원하는 답을 얻을 때 훨씬 더 좋을 것입니다. 그러나 완전히 새로운 질문이 생길 때도 마찬가지입니다. 물리학이 "더 이상 질문이 없습니다."라고 말하는 상황을 기대할 수 없기 때문입니다.
