Fizycy ogłosili plan zbadania tajemnic wszechświata

Po wieloletnim przeglądzie amerykańska społeczność zajmująca się fizyką cząstek elementarnych ogłosiła swoją wizję badań obejmujących najbliższe pięć do dziesięciu lat. Różne projekty, jeśli zostaną sfinansowane, mogą pomóc naukowcom w lepszym zrozumieniu praw natury.

Zalecenia zostały wydane w raporcie pt. „Odkrywanie wszechświata kwantowego: ścieżki do innowacji i odkryć w fizyce cząstek elementarnych„. Został napisany przez Komitet ds. Priorytetyzowania Projektów Fizyki Cząstek (P5), podkomitet… Komitet Doradczy ds. Fizyki Wysokich Energii (HEPAP) i zostaną przesłane do agencji finansujących, takich jak Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych I Narodowa Fundacja Naukowa Aby kierować ich decyzjami dotyczącymi finansowania w ciągu następnej dekady.

Przyszłość fizyki cząstek elementarnych

Fizycy cząstek badają zachowanie materii w najsurowszych warunkach, jakie kiedykolwiek osiągnięto w laboratorium. Przyspieszają cząstki subatomowe, takie jak protony i elektrony, do prędkości bliskiej prędkości światła i rozbijają je razem za pomocą dużych, potężnych akceleratorów cząstek. W najpotężniejszym na świecie akceleratorze naukowcy mogą osiągnąć temperatury niewyobrażalnych 7 bilionów stopni Celsjusza. To wartość znacznie ponad 100 000 razy wyższa niż temperatura w centrum Słońca i prawie 100 razy wyższa niż w centrum supernowej, czyli eksplozji gwiazdy tak jasnej, że można ją zobaczyć w połowie Wszechświata. Ostatni raz temperatura była powszechna w całym wszechświecie mniej niż bilionowa część sekundy po Wielkim Wybuchu.

Głębokie powiązania między prawami rządzącymi sferą kwantową a prawami rządzącymi całym wszechświatem są znane od dawna, a badacze badają je od dziesięcioleci. Tego typu eksperymenty wymagają bardzo dużych akceleratorów i detektorów cząstek, w które zaangażowane są tysiące fizyków, inżynierów, informatyków, techników i różnorodnego personelu pomocniczego. Tak duży wysiłek wymaga starannego planowania i niezależnego nadzoru.

Mniej więcej co pięć lat amerykańska społeczność zajmująca się fizyką cząstek elementarnych ocenia postęp poczyniony w ciągu ostatnich pięciu lat. Wykorzystuje te informacje do określenia, które wysiłki z największym prawdopodobieństwem przyniosą postęp w najbliższej perspektywie. Społeczność musi wziąć pod uwagę realistyczne względy, takie jak budżety i to, czy niezbędna technologia istnieje lub jest na zaawansowanym etapie rozwoju. Myślą także o takich rzeczach, jak wpływ naukowy. P5 i HEPAP to jedynie agencje doradcze i finansujące rząd, które podejmują ostateczną decyzję o tym, które projekty realizować.

Raport P5 rekomenduje projekty o różnej wielkości i oddziaływaniu. Jednym z dużych projektów jest A Wysiłki czwartej generacji Aby zbadać kosmiczne mikrofalowe tło wszechświata. Te mikrofale są najstarszymi wykrywalnymi pozostałościami Wielkiego Wybuchu i stanowią bezpośredni obraz wczesnego Wszechświata. Kolejny duży projekt obejmuje modernizację Fermilab Kompleks akceleratorów usprawniający nasz światowej klasy program badań nad neutrinami. Fermilab to wiodące amerykańskie laboratorium fizyki cząstek elementarnych, które podejmuje bezprecedensowe wysiłki w celu zbadania zachowania neutrin, które oddziałują tak rzadko, że mogą przejść przez całą Ziemię z bardzo małą szansą na interakcję. Badania neutrin mogą rzucić światło na to, dlaczego Wszechświat składa się wyłącznie z materii, podczas gdy nasze najlepsze teorie sugerują, że antymateria powinna być w równym stopniu obecna.

Raport P5 zaleca także utworzenie eksperymentu trzeciej generacji z ciemną materią, który miałby szukać widmowej formy materii, uważanej za pięciokrotnie częstszą niż zwykła materia. Jeśli Ciemna materia Jeśli istnieje, powinien przejść przez Ziemię z niewielką szansą na interakcję. Jakakolwiek nadzieja na odkrycie tej teoretycznej formy materii będzie wymagała skupionego wysiłku i zaawansowanej technologii.

Zalecane jest także amerykańskie zaangażowanie w A Akcelerator przyszłości W Europie czy Azji, gdzie przeprowadzonoby szczegółowe badania nt bozon HiggsaJest to cząstka odkryta w 2012 roku, która nadaje masę innym cząstkom subatomowym.

Jednym z ambitnych zaleceń jest dla naukowców zbadanie możliwości tworzenia źródeł wysokoenergetycznych Zderzacz księżycowy. Miony są podobne do elektronów, ale cięższe. Kolejną różnicą jest to, że miony rozpadają się w ułamku sekundy. Aby zbudować zderzacz mionów, badacze musieliby stworzyć miony, przechwycić je, a następnie przyspieszyć i zderzyć w bardzo krótkim czasie. Nie jest jeszcze jasne, czy stworzenie takiego obiektu jest możliwe, sugeruje się jednak, aby krajowa społeczność naukowców zajmujących się akceleratorami współpracowała w celu sprawdzenia, czy taki akcelerator jest możliwy.

Możliwe przyszłe udogodnienia w bardziej skromnych cenach obejmują Ulepszony detektor IceCube. IceCube wykorzystuje kilometr sześcienny lodu na Antarktydzie do badania neutrin kosmicznych, w tym niektórych z najbardziej energetycznych neutrin w historii. Badanie kosmicznych neutrin może dać astronomom wgląd w niektóre niezwykle gwałtowne zjawiska astronomiczne, w tym supernowe, zderzające się gwiazdy neutronowe i przyspieszenie materii w pobliżu masywnych czarnych dziur. IceCube drugiej generacji może wykorzystać do dziesięciu kilometrów sześciennych lodu, aby dokonać dokładniejszych pomiarów.

Chociaż zalecenia Komitetu P5 nie są wiążące, odzwierciedlają ocenę amerykańskiej społeczności zajmującej się fizyką cząstek elementarnych. Przed spotkaniem P5 tysiące fizyków wspólnie pracowało Proces blokowania lodu. W ciągu kilku lat badacze wpadają na najlepsze pomysły i zbierają się na dużych konferencjach, aby je omawiać. Dzięki dyskusji, krytyce i udoskonaleniom propozycje Snowmass reprezentują jedne z najbardziej innowacyjnych pomysłów mających na celu poprawę naszego zrozumienia praw natury.

Panel składający się z pięciu narodów przyjął propozycje Snowmass – udoskonalając niektóre i dostosowując inne – a resztę przekazał agencjom finansującym. Następnym krokiem w tym procesie będą konsultacje takich agencji jak Departament Energii i Narodowa Fundacja Nauki ze swoimi międzynarodowymi odpowiednikami i rozważenie realiów finansowych. Mniej więcej w ciągu najbliższego roku stanie się jasne, jak będzie wyglądać przyszłość badań nad fizyką cząstek elementarnych w Ameryce.