كاشف نيوترينو سوبر كاميو كانديغالبًا ما يكون عالِم التجارب مهنة جاحدة. تقرأ أخبارًا عن التجارب التي انتهت باكتشافات رائعة ، لكن القليل منهم سمع بمحاولات ، غالبًا ما تكون بطولية ، من قبل المجربين الذين لم يكتشفوا بعد أو يرصدوا ما تم صنعه من أجله.
بعض المحاولات مستمرة منذ عقود وترى تغير أجيال من الناس ، والنظر في ساعات عملهم وخبراتهم. ومع ذلك ، فإن عدم وجود نتيجة له في بعض الأحيان نفس المعنى العلمي مثل أي اكتشاف مُعلن عنه: نتعلم ما هو العالم الحقيقي ، أو ما هو غير موجود فيه. من ناحية أخرى ، فإن تلقي نوع من الاستجابة الإيجابية من أي من هذه التجارب سيكون له عواقب بعيدة المدى على فهمنا للكون ومكاننا فيه.
نقدم لك قائمة من سبع تجارب جارية لم تجد بعد التجربة المطلوبة. كلهم مذهلون في عبقريتهم وطموحهم. ليس من المستغرب أن يحاولوا مواصلتهم ودعمهم.
لإلقاء الضوء على المادة المظلمة ، قم بدفن خزان من الزينون السائل في الأرض
طرح العلماء النظرية القائلة بأن خيوط المادة المظلمة تشكل هيكلًا عظميًا معينًا يتم الاحتفاظ به في جميع المجرات التي نراها. كل واحد منهم محاط بهالة من المادة المظلمة ، مما يوفر جاذبية إضافية تشرح كيف تدور النجوم حول مراكز المجرة. لكن لا يزال علينا اكتشاف المادة المظلمة مباشرة. على الرغم من المحاولات العديدة التي أجريت خلال العقود القليلة الماضية لاكتشاف المادة المظلمة من خلال تفاعلات ضعيفة للغاية مع المادة العادية ، إلا أنها باءت بالفشل.
ومن بين الأشكال المختلفة التي تستطيع المادة المظلمة اتخاذها ، ما يسمى تمثل الجسيمات الضخمة التي تتفاعل بشكل ضعيف (الجسيمات الضخمة المتفاعلة Weimly ، WIMPs) واحدة من أكثر الفرص إثارة للاهتمام للمتخصصين في فيزياء الجسيمات. ساعدت تجربة
LUX ، التي تقع على بعد أكثر من كيلومتر تحت الأرض في منجم سابق في داكوتا الجنوبية ، على رفع مستوى الفشل في اكتشاف WIMPs عالية جدًا. المعدات عبارة عن خزان يحتوي على 72000 طن من الماء عالي النقاء الذي يرشح الأشعة الكونية الزائفة. بداخله ثلث طن من الزينون السائل ، محاط بأجهزة استشعار حساسة بما يكفي للكشف عن الضوء المنبعث نتيجة اصطدام المادة المظلمة مع ذرات الزينون.
أدى فشل LUX في الكشف عن أي آثار للمادة المظلمة إلى ترقية LUX-Zeplin ، وهي تجربة تستخدم ما يقرب من 20 مرة من زيت الزينون السائل أكثر من LUX. هل ستجد التجربة الجديدة أي شيء لم تستطع فيه LUX القيام بذلك؟ يبدو أن الطبيعة تحب السخرية من آمال وتوقعات العلماء.
لمعرفة الموجات الجاذبية المتبقية من الانفجار الكبير ، ادرس الترددات المختلفة
يجب أن تترك موجات الجاذبية (نظير الجاذبية للإشعاع الكهرومغناطيسي ، أو الضوء) من وقت الانفجار الكبير علامة فريدة في الإشعاع الذي لاحظناه في جميع الاتجاهات وتركها بعد الانفجار الذي خلق الكون المرئي. إنه يوضح تقلبات صغيرة في درجة الحرارة والاستقطاب ، مما يزودنا بصورة لمجال الجاذبية في نفس الوقت - عندما كان عمر الكون 379000 سنة - عندما تشكلت أول ذرات هيدروجين محايدة. يجب أن يكون هذا التتبع صورة استقطابية دوارة ، المصطلح الفني هو
أوضاع B.تبين أن الفرح الناجم عن الإعلان عن اكتشاف مثل هذه التعديلات التي تم إجراؤها في 2014 من قبل BICEP / Keck سابق لأوانه. ما بدا أنه موجات جاذبية أولية تحول إلى جزيئات غبار مستقطبة عند خطوط عرض مجرة عالية ، قادرة على محاكاة نفس الصورة الاستقطابية الدوارة التي يجب أن تظهرها موجات الجاذبية.
على الرغم من ذلك ، تم تحديث مجموعة
BICEP لتكوين
BICEP3 ، والذي يتكون من مجموعة من 2500 مستشعر (مقياس ضغط) مصمم لمراقبة الإشعاع المتبقي بترددات أقل بكثير من نسخته السابقة. عشر سنوات من الملاحظات باستخدام إصدارات مختلفة من تلسكوب BICEP لم تؤد إلى اكتشاف أنماط B من موجات الجاذبية الأولية ، لكن البحث لن يتوقف - فالمنافسة على اكتشافها أولاً تزداد احترارًا.
لمعرفة ما إذا كانت التفاعلات النووية والتفاعلات الكهربائية القوية قوية ، ابحث عن "موسيقى البوب الأسرع من الصوت" في الضوء
النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات هو تتويجا لعقود من التفاعل بين النظرية والتجربة ، من ولادة ميكانيكا الكم إلى الافتراض بأن التفاعل النووي الضعيف (المسؤول عن أنواع معينة من الانحلال الإشعاعي) والكهرومغناطيسية هما جانبان مختلفان للتفاعل "الكهربائي".
يبدو لنا أن التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة
تختلف فقط على نطاق تجربة مختبرية نموذجية ، حيث
إن حقل هيجز - الذي يعطي كتلة للجسيمات التي تتفاعل معه - يخفي التناظر المتأصل في هذين التفاعلين.
يوجد في النموذج القياسي تفاعل نووي قوي آخر ، والذي يجب أن يتحد مع الطاقة الكهربية في طاقات أعلى تريليون مرة من تلك التي يمكننا تحقيقها في CERN ، في "التوحيد العظيم". أحد تنبؤاته هو أن البروتون يتوقف عن الاستقرار ويمكن أن يتحلل إلى جسيمات أخرى -
البيونات والبوزيترونات - على الرغم من أنه نادرًا ما يكفي ، بحيث يمكن أن يكون نصف العمر أكثر من مائة تريليون تريليون مرة من العمر الحالي للكون.
يقع Super Kamiokande - والترقية المخطط لها ،
Hyper Kamiokande - على بعد كيلومتر أسفل الجبل في مختبر Kamioka في وسط اليابان. تبحث هذه التجربة ، من بين أمور أخرى ، عن علامات على مثل هذه التحلل البروتوني النادر للغاية في الأحجام غير الواقعية لخزانات المياه فائقة النقاء. مسح الفضاء بحثًا عن ومضات الضوء الخافتة ، والمعروفة باسم إشعاع Cherenkov - المكافئ البصري للفرق الأسرع من الصوت - يبحث Super-Kamiokande عن جزيئات عالية الطاقة يتحلل فيها البروتون.
إشعاع Cherenkov في قلب مفاعل اختبار متقدم في مختبر أيداهو الوطنيلم يتم اكتشاف أي شيء حتى الآن. لكن Hyper-Kamiokande ، الذي ستكون حساسيته المخططة أكبر بعشر مرات ، يجب أن تبدأ الملاحظات بالفعل في عام 2020.
للتحقق من التناظر الفائق ، تحقق من النيوترون
يتنبأ النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات بأن النيوترون - الذي يشكل مع النواة البروتونية محتويات النواة الذرية - له عزم ثنائي القطب كهربائي صغير للغاية (EDM) ، وهي مسافة ثابتة تفصل بين شحنتين متعاكستين. بسبب صغر حجمها ، على الأرجح ، لم يتم اكتشافها بعد. لكن النظريات التي تكمل النموذج القياسي
بتناظر فائق - تكافؤ افتراضي للتفاعلات والمادة - عادة ما تتوقع EDM ، أكبر بـ 100،000 مرة من توقعات SM.
من خلال فرض قيود على حجم EDM النيوتروني ، يمكن للمرء التحقق مما إذا كان التناظر الفائق موجودًا في الطبيعة بطريقة أكثر صرامة مما يمكن تحقيقه عن طريق تسريع الجسيمات في المصادمات.
تحاول تجربة
CryoEDM فقط القيام بذلك في معهد Laue Langevin في غرونوبل ، فرنسا. بمراقبة الفرق في حركة الدوران للنيوترونات البطيئة جدًا - أي في تغيير اتجاه محور الدوران - في وجود المجالات المغناطيسية والكهربائية ، يمكنك قياس النيوترون EDM بدقة ، إن وجدت ، لأن سرعة الحركة تعتمد على وجودها.
عندما يصل CryoEDM إلى حساسيته المحسوبة ، سيتمكن من استبعاد أو تأكيد وجود التناظر الفائق. ستكون مراقبة EDM دليلاً مغريًا على وجود التناظر الفائق في الطبيعة ، نظرًا لأن القيمة التي تنبأ بها النموذج القياسي صغيرة جدًا بحيث لا يمكن اكتشافها بالحساسية الحالية للتجارب.
ألق نظرة على الجاذبية لتلاحظ أبعادًا إضافية.
في حالة وجود أبعاد إضافية ، يمكن أن تؤثر على تشغيل الجاذبية على مسافات صغيرة جدًا. فهي لا تنطوي فقط على انحرافات عن
القانون المعتاد
للمربعات العكسية للجاذبية النيوتونية ، ولكنها تعني أيضًا وجود قوى جديدة تعمل على مسافات قصيرة مماثلة للجاذبية ، منتهكة ما يسمى مبدأ التكافؤ. يفترض المبدأ أن كل المادة - كرة المدفع والتفاح - تسقط بالتساوي في مجال جاذبية معين. وميزات الأبعاد الإضافية هي أن الحقول التي تتحكم في حجم الأبعاد الإضافية تحاكي الجاذبية ، ولكن فقط على مسافات قصيرة جدًا ، وفي نفس الوقت تعمل بشكل مختلف على أنواع مختلفة من المادة.
اقترح العلماء أن القياسات الإضافية قد تأخذ شكل مشعب كالابي-ياو ثلاثي الأبعاد ، مما أدى إلى فكرة تناظر المرآةعلى الرغم من أن نظرية النسبية العامة لأينشتاين قد تم اختبارها بدقة على المقاييس من النظام الشمسي إلى الكون ، إلا أن الباحثين بدأوا للتو اختبارها على المقاييس دون المليمتر.
باستخدام
مقاييس الالتواء المحسوبة بدقة ، تبحث مجموعة التعاون Eöt-Wash (التي سميت باسم Baron von Eötvös ، الذي أجرى أول تجارب من هذا النوع في أوائل القرن العشرين ومدينة واشنطن) من جامعة واشنطن عن انتهاكات لمبدأ التكافؤ - بالإضافة إلى الانحرافات عن القانون المربعات العكسية - على موازين تقترب من 100000 من المتر. حتى الآن ، لم يتم العثور على تعديلات لقوانين نيوتن أو مبدأ التكافؤ ، مما يشير إلى أنه في حالة وجود قياسات إضافية ، فهي في الحالة المطوية أقل بكثير من بضع أعشار ميكرون.
لمراقبة "القرون المظلمة" الكونية ، تابع إشارة الراديو الضعيفة
كان هناك عصر في تاريخ الكون لا يُعرف عنه إلا القليل نسبيًا - هذه ما يسمى بالقرون المظلمة. هذه هي حقبة ما بعد إعادة التركيب ، بعد تشكل أول ذرات هيدروجين محايدة ، وقبل أن تبدأ النجوم الأولى في التألق.
لا تشع ذرة الهيدروجين أي شيء خاص. ولكن ، مثل كوكب يدور حول الشمس ، يدور أيضًا حول محوره ، فإن إلكترونًا واحدًا يدور حول نواة الهيدروجين "يدور" حول محوره ، والذي يتم توجيهه في نفس الاتجاه أو الاتجاه المعاكس بالنسبة لحركته المدارية. في الحالة الأخيرة ، لديه طاقة أقل.
كان جزءًا صغيرًا من الهيدروجين المحايد ، المضاء بالإشعاع المنبعث في العصور المظلمة ، متحمسًا وتحول إلى حالة ذات طاقة أعلى ونفس الاتجاه. وبعد انتقال هذه الذرات المثارة إلى حالة منخفضة الطاقة بتكوين متعدد الاتجاهات ، تنبعث منها إشارة بتردد 1.4 جيجاهرتز ، والتي تتوافق مع إشارة راديو ضعيفة جدًا بطول موجة 21 سم. سيسمح لنا اكتشاف إشعاع الخلفية 21 سم بالنظر إلى
العصور المظلمة .
صفيف التردد المنخفض (
LOFAR ) هو عبارة عن مجموعة من 20000 هوائيات طور تقع في أوروبا (معظم هولندا) ، وهي تحلق في الفضاء منذ عام 2012 على أمل اكتشاف هذه الإشارة الضعيفة. لكن الأرض والمجرة التي تقع فيها هي أماكن صاخبة للغاية ، وحتى الآن لم نتمكن من اكتشاف إشارة من العصور المظلمة تتغلب على الضوضاء المحلية. هناك خطط طموحة جارية لإنشاء مصفوفة الكيلومتر المربع الدولية (
SKA ) ، ولكن حتى الآن تظل العصور المظلمة مظلمة.
للعثور على الأجانب ، لا تتوقف عن الاستماع
إن اكتشاف دليل مقنع على وجود حياة ذكية مختلفة في الكون سيكون نقطة تحول في حياة حضارتنا. كانت الجهود الجماعية ، التي تتكون من عدد كبير من التجارب ، تهدف إلى البحث عن إشارات خارج الأرض للحضارات الذكية بنفس قدر وجود الراديو. الفكرة هي أنه يمكن تمييز الإشارات الراديوية الاصطناعية عن المصادر الطبيعية (الفيزيائية الفلكية) ، بسبب نطاق التردد الضيق والطبيعة المتكررة ، كما هو الحال مع البث الإذاعي البشري. تم اكتشاف
مرشح مغر لمثل هذه الإشارة في عام 1977 ، على الرغم من أنه لم يتم رؤيتها منذ ذلك الحين ، ولا يمكن استبعاد إمكانية أصلها الطبيعي.
يشارك مرصد Arecibo في بورتوريكو في البحث عن الذكاء خارج الأرضيتم إجراء تجربة SETI (البحث عن الذكاء خارج الأرض) باستخدام مجموعة متنوعة من المقاريب الراديوية ، بما في ذلك
مصفوفة هوائي Allen ، والتي تم تجهيزها مؤخرًا بتقنية شائعة الاستخدام للبحث عن الكواكب الخارجية. قام العلماء أيضًا بإعدادها للبحث عن
الهياكل الضخمة المحتملة
للغريبة ، والتي اقترح وجودها الفيزيائي فريمان دايسون. يمكن للحضارات المتقدمة أن تبني مثل هذه الهياكل لجمع طاقة النجوم بشكل مباشر. وعلى الرغم من حقيقة أنه على مدى عقود ، لم يتم اكتشاف أي شيء ، فإن البحث الجماعي عن الذكاء خارج الأرض أصبح الآن مجهزًا بشكل أفضل من أي وقت مضى. يتخذون إجراءات فيما يتعلق بقلق آرثر كلارك ، الذي عبر عنه في العبارة الشهيرة: "هناك احتمالان: إما أننا وحدنا في الكون ، أم لا. كلاهما مرعبان بنفس القدر. "