أكثر التجارب الواعدة في الفيزياء الحديثة

لفهم عالمنا بشكل أفضل وتحديد دور الإنسان فيه ، يقوم العلماء بإنشاء المزيد والمزيد من الأدوات الطموحة وإجراء تجارب واسعة النطاق. لقد تجاوز العلم لفترة طويلة الخط الذي تفتقر إليه جهود العباقرة الأحاديين الذين يجرون التجارب في مختبراتهم الخاصة. يتطلب العلم الكبير الآن بحثًا مكلفًا ، تدعمه مجموعات بحثية من العديد من البلدان لسنوات.

كلما كانت التجارب أكبر ، كانت الاكتشافات الأكثر إثارة للإعجاب في انتظارنا. كيفية تحديد المقياس؟ لهذا ، يكفي أن تعرف كمية تكاليف البناء وعدد الموظفين والأبعاد المادية للمشروع نفسه. لن ننسى الفائدة العلمية للمشروع من وجهة نظر شخص عادي.

خزان

أكمل المسرع الأقوى على الأرض الدورة الأولى من عمله في فبراير 2013 ، بعد أن حل مهمته الرئيسية ، وجد بوزون هيجز. اكتشف العلماء آخر جزء مفقود من تفاعلات جميع الجسيمات والقوى المعروفة داخل النموذج القياسي.

ومع ذلك ، خاب أمل الفيزيائيين. يأمل الكثيرون في ألا يكون جسيم هيجز هو ما تنبأت به النظرية ، أو أن افتراض وجود بوزون سيكون خاطئًا تمامًا. على أقل تقدير ، كان العلماء يأملون في أن تختلف خصائص بوزون هيجز عن تلك التي تنبأ بها النموذج القياسي حتى يتمكن العلماء من الانتقال إلى إنشاء فيزياء جديدة.

إن الانحرافات عن النموذج القياسي (نظرية في فيزياء الجسيمات الأولية التي تصف التفاعلات الكهرومغناطيسية والضعيفة والقوية لجميع الجسيمات الأولية) ستساعد في العثور على جسيمات أخرى مثيرة للاهتمام ، لإثبات وجود جسيمات فائقة التناظر - جزيئات شريك للكون بأكمله. على سبيل المثال ، بالنسبة للفوتون - فوتينو ، ل الكواركات - سكوير ، لهيجز - هيغسينو ، وما إلى ذلك.

بدلاً من ذلك ، بدأنا نشك في جميع النظريات الفائقة التناظر. من المحتمل أن مئات الفيزيائيين حول العالم لعقود قضوا مواردهم في البحث عما هو ليس كذلك.
خلال السنوات القليلة المقبلة ، سيجمع المُجربون بيانات جديدة ستساعد في الإجابة عن أسئلة حول المادة المظلمة والطاقة المظلمة وخصائص النيوترينوات وطبيعة بوزون هيجز ، وربما كيف ستبدو الحقبة التالية في الفيزياء.
في 23 مايو ، وقعت أول تصادمات بروتون في عام 2017 في مصادم هادرون الكبير. تمت معايرة أجهزة الكشف وآلاف النظم الفرعية. بحلول نهاية عام 2017 ، من المتوقع أن يضاعف المصادم حجم إحصاءات التصادم بقوة 13 تيرا إلكترون فولت.

HL-LHC و ILC

مفهوم ILC.

بحلول عام 2020 ، يخطط المركز الأوروبي للبحوث النووية (CERN) لتحديث المصادم LHC. "LHC at High Luminosity" (High-Luminosity LHC) هو اسم مشروع التحديث القادم ، والذي بفضله سيزداد لمعان الجهاز 10 مرات. اللمعان - طريقة لقياس أداء المسرِّع ، وتمييز شدة تصادم الجسيمات بين شعاعين قادمين. كلما زاد اللمعان ، يمكن جمع المزيد من البيانات أثناء التجربة.

ونتيجة لذلك ، سوف تصطدم البروتونات بطاقة تصل إلى 30 تي في أو أعلى ، الأمر الذي سيؤدي إلى المزيد من التصادمات وزيادة في عدد الجسيمات. ومع ذلك ، في ظل هذه الظروف ، سيصبح عمل الفيزيائيين أكثر تعقيدًا فقط - فقط الظواهر النادرة للغاية ستحتاج إلى التعرف عليها من كتلة الأحداث. ستكون هناك إصدارات جديدة من أجهزة الكشف - superCMS و superATLAS.
بالإضافة إلى البحث في LHC ، من المخطط توسيع العمل العلمي بسبب المصادم الخطي الدولي (ILC) ، والذي سيتجاوز المصادم LHC نفسه. سيتألف المصادم الإلكتروني-البوزيتروني من مسرعين خطيين طول كل منهما 12 كم. ويقدر إجمالي طول التركيب 31 كم. بعد ذلك ، يمكن استكمال المسرع بأقسام جديدة ، ونتيجة لذلك سيرتفع طول التركيب إلى 50 كم.

سوف يكون ILC قادرًا على إنشاء عدد كبير من بوزونات Higgs ، مما يسمح للعلماء بدراسة خصائص الجسيم بدقة. يمكنه أيضًا تحديد الأحداث غير الطبيعية التي من شأنها أن تسمح بالتحقيق في النظريات الغريبة خارج النموذج القياسي.

كبديل ، يتم اعتبار مصادم حلقة الإلكترون البوزيتروني ، والذي يمكن أن يصبح مصنعًا حقيقيًا لـ "إنتاج" بوزونات هيجز. في اللمعان في المنطقة حتى 200 GeV ، تتفوق المصادمات الدورية على تلك الخطية. يتراوح نطاق الطاقة في المصادم الجديد من 45 GeV إلى 175 GeV ، مما يسمح لنا بدراسة خصائص بوزونات Z- ، W- ، Higgs و t-quarks بالتفصيل. علاوة على ذلك ، فإن تكلفة المشروع أقل من ILC.

في عام 2020 ، تخطط CERN لاتخاذ قرار بشأن بناء "مصادم المستقبل" ، من بين خيارين واعدين.

النيوترينوات الغامضة

تبحث مصفوفة الكاشف GERmanium (GERDA) عن النيوترينوات من خلال مراقبة النشاط الكهربائي داخل بلورات الجرمانيوم النقية المعزولة تحت جبل في إيطاليا. يأمل العلماء الذين يعملون مع GERDA في اكتشاف شكل نادر جدًا من التحلل الإشعاعي.

النيوترينو هو أحد أكثر الجسيمات الغامضة في الكون. لها كتلة صغيرة - جائزة نوبل في الفيزياء في عام 2016 تم منحها لحقيقة "اكتشاف تذبذبات النيوترينو التي تبين أن النيوترينو لها كتلة." لا تتفاعل النيوترينوات مع المادة تقريبًا - يمر حوالي 6 × 10 ¹⁰ نيوترينوات تصدرها الشمس كل ثانية عبر سطح الأرض بمساحة 1 سم².

يحاول الفيزيائيون حاليًا اكتشاف بعض خصائص النيوترينوات التي لا تزال محل تساؤل. يعرف العلماء أن النموذج القياسي قد انتهك بالفعل ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن النيوترينوهات لها كتلة ، في حين يقول النموذج القياسي أنه لا ينبغي أن يكون لديهم كتلة.

قد توضح تجارب الاضمحلال المزدوج بيتا لماذا يتكون الكون من المادة. يتنبأ النموذج القياسي بأنه بعد الانفجار العظيم ، كان يجب إنشاء المادة والمادة المضادة بنسب متساوية. ولكن بما أن هذين الشكلين المتضاربين من المادة يبادان بعضهما البعض ، فإن الكون يجب أن يتكون من لا شيء.

يحدث تحلل بيتا عندما يتحول النيوترون (وهو جسيم محايد في النواة الذرية) تلقائيًا إلى بروتون وإلكترون ، في العملية التي تنبعث منها مضادات النيترينو. يمكن أن يكون للعملية أيضًا مسار مختلف قليلاً: النيوترون يمتص النيوترينو ويتحول إلى بروتون وإلكترون. سيكون تحلل بيتا المضاعف حالة نادرة للغاية يتم فيها امتصاص النيوترين في الحالة الأولى بواسطة النيوترون في الحالة الثانية.

يمكن أن يحدث هذا الشيء فقط عندما يكون النيوترينو ومضاد النيوترينو متشابهين: أي إذا كان النيوترينو هو جسيمه المضاد. لا أحد يعرف ما إذا كان الأمر كذلك ، ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فعندما تتحلل النيوترينوات في وقت مبكر ، كان الكون قد خلق جزيئات من المادة أكثر قليلاً من المادة المضادة.

نوفا ، T2K و DUNE

كاشف NOνA ، Fermilab.

جمع مشروع NOνA (المظهر خارج المحور لـ NuMI) عدة مئات من العلماء والمهندسين من 40 معهدًا من ثمانية بلدان. من روسيا ، ومعهد البحوث النووية RAS (INR RAS) ، ومعهد الفيزياء بعد P.N. ليبيديفا (LPI) والمعهد المشترك للبحوث النووية من دوبنا.

يستخدم المشروع حزمة نيوترينو من مولد NuMI (نيوترينوس في الحاقن الرئيسي). لتنفيذ تجربة NOvA ، تم بناء مختبرين على بعد 800 كيلومتر من مصدر النيوترينو. يمر تيار النيوترينو ، الذي يخرج من أحشاء مولد NuMI ، عبر طبقات الأرض ويدخل أجهزة استشعار ضخمة تقع على جانبي مسار حركة الجسيمات. تجربة مماثلة في اليابان تسمى T2K ترسل النيوترينوات عبر 295 كيلومترًا من سطح الأرض.


أحد مستشعرات النيوترينو في مشروع NOνA: بطول 14.3 متر ، وارتفاع 4.2 متر ، وعرض 2.9 متر. ويزن الأكبر 14 ألف طن: يبلغ طوله 78 مترًا ، وارتفاعه 15.6 مترًا ، وعرضه 15.6 مترًا - وهو أكبر هيكل بلاستيكي على وجه الأرض.

ومع ذلك ، NOνA ليست هي الحد. الآن يتم إعداد تجربة DUNE (تجربة Neutrino العميقة تحت الأرض) على أساس مجمع معجل Fermilab (مختبر Fermi الوطني ، NOνA يمر هنا) وكاشف النيوترين LBNE الحالي (مرفق نيوترينو طويل الأساس). من المخطط أن يتم وضع مولد جسيمات NuMI ومستشعر جديد يحتوي على 40000 لتر من الأرجون السائل على مسافة 1300 كم عن بعضها البعض.

ستساعد هذه الدراسات على اختبار الفرضية القائلة بأن هناك مادة في الكون أكثر من المادة المضادة. بالإضافة إلى دراسة النيوتريونات ، فإن التجربة تضع على عاتقها مهمة البحث عن اضمحلال البروتون في عدة أوضاع اضمحلال مهمة. حتى إذا كانت بيانات البحث لا تتوافق مع توقعات العلماء ، فستكون مفيدة ، لأنها ستلغي الفرضيات العديدة المقترحة الآن.

خليج دايا

Daya Bay هي تجربة لدراسة تذبذبات النيوترينو (تأثير ناتج عن تغير في نوع (أو نكهة) النيوترينوات أثناء انتقالها من المصدر إلى الكاشف) ، تم إجراؤه في الصين. يتكون التركيب ، الذي يقع في ثلاث قاعات تحت الأرض ، من ثمانية مكشافات للتلألؤ السائل المضادة للنترينو ، يحتوي كل منها على 20 طنا من اللمعان السائل. مصدر مضاد النيترينو هو ستة مفاعلات نووية (لكل منها طاقة حرارية تبلغ حوالي 3 جيجاوات) تقع على مسافات تتراوح من ~ 500 إلى ~ 1800 متر من أجهزة الكشف. يحاول علماء من خليج دايا اكتشاف معلمتين رئيسيتين لفيزياء النيوترينو - "زاوية خلط النيوترينو" و "اختلاف مربعات كتل النيوترينو".

كشف المادة المظلمة

ما هي المادة المظلمة؟ لا أحد يعرف حتى الآن. هناك الكثير من المادة المظلمة في الكون - وهي مادة لا نسجلها مباشرة في أي نطاق من الطيف الكهرومغناطيسي ، ولكنها "تتجمع" في المجرات وعناقيدها. يجب أن تتكون هذه المسألة من جزيئات من نوع جديد ، والتي ليس لها مكان في النموذج القياسي.

هناك العديد من التجارب التي يتم البحث فيها عن دليل مباشر على وجود المادة المظلمة. الصعوبة هي أنهم يشيرون إلى أشياء مختلفة.


كاشف لوكس.

من المفترض أن يساعد كاشف حساس للغاية ، يسمى LUX (Large Underground Xenon) ، في القضاء على الارتباك ، ولكن نتيجة لذلك أضاف المزيد من الأسرار . يقع LUX في منجم ذهب مهجور في داكوتا الجنوبية. تم إطلاق التثبيت في منتصف عام 2013 ، ومنذ ذلك الحين لم يعثر على جزيئات من المادة المظلمة.

يتم حاليًا إعداد كاشف LZ التالي فائق الحساسية ليحل محل LUX. في الوقت نفسه ، يقوم تعاون DARWIN بإعداد كاشف زينون 25 طنًا - للمقارنة ، في LUX يوجد فقط 370 كجم من زينون.

المشكلة هي أن العلماء ليس لديهم إجماع حول كيفية البحث عن المادة المظلمة. هناك العديد من المشاريع ، ولا يمكن لأحد أن يتوقع أيها سيكون له تأثير إيجابي. لكن كل مشروع يأكل كمية هائلة من موارد المجتمع العلمي.

مراقبة الطاقة المظلمة

وفقًا لملاحظات مرصد بلانك الفضائي ، فإن إجمالي طاقة الكتلة للكون المرصود يتكون من 68.3 ٪ من الطاقة المظلمة (26.8 ٪ هي مادة مظلمة ، وكل شيء آخر هو شيء آخر). في الوقت نفسه ، لا يزال الفيزيائيون لا يعرفون ما هي الطاقة المظلمة ، وكيف تتسبب في تمدد الكون (وما إذا كانت تسببه). الطاقة المظلمة هي مجرد مصطلح شرطي لما يبدو أنه لغز كوني كبير جدًا. لكن العلماء لا يتخلون عن محاولات "تسليط الضوء" على هذا اللغز.



سيدرس مشروع مسح الطاقة المظلمة (DES) سماء الليل حتى عام 2019. الأداة الرئيسية DES هي كاميرا 570-megapixel (واحدة من أقوى الكاميرات في العالم) ، مدمجة في جسم التلسكوب الذي يبلغ طوله أربعة أمتار Victor M. Blanco ، الموجود في جبال الأنديز الشيلية. يتكون النظام البصري للكاميرا من خمس عدسات ذات شكل محدد بدقة. يبلغ قطر أكبرها 90 سم.

يمكن لـ DES التقاط الضوء المنبثق من مئات الآلاف من النجوم على بعد 8 مليارات سنة ضوئية من الأرض. ومع ذلك ، لا يمكنك رؤية الطاقة نفسها ، إذا قمت بعمل خريطة كاملة لتوزيع المادة المظلمة ، فسيكون العلماء قادرين على قياس مدى سرعة حدوث الإزاحة النسبية لهذه الكتل من المادة المظلمة. ستساعد هذه البيانات على فهم الطاقة المسؤولة عن توسع الكون بشكل أفضل.

وبالطبع ، فإن المادة المظلمة نفسها غير مرئية أيضًا ، ولكن يمكن الكشف عن وجودها من خلال تشوهات الجاذبية للضوء من الأجسام الفلكية البعيدة. يبحث علماء الفيزياء الفلكية عن نوع محدد من التشويه على الصور الرقمية التي يتم تلقيها باستخدام DES - ما يسمى عدسات الجاذبية.

بمقارنة درجة التقارب بين كتل المادة المظلمة المعروفة لنا في مراحل مختلفة من تطور الكون بناءً على تحليل صور الأجسام الفلكية على مسافات مختلفة منا ، سيكون علماء الكون قادرين على تقييم سرعة وديناميات التمدد. وهذا بدوره يمكن أن يعطي إجابة عن طبيعة الطاقة المظلمة ، أو يمكن أن يثبت الفشل الكامل للنظرية.

مرصد نيبتون

تتعلق هذه التجربة بكون آخر موجود على أقدامنا. تغطي المحيطات ما يقرب من ثلاثة أرباع سطح الأرض وتحتوي على 90٪ من جميع أشكال الحياة ، لكن الدراسة سيئة. يتكون مرصد المحيط NEPTUNE (تجربة الشبكات تحت الماء لسلسلة زمنية شمال شرق المحيط الهادئ) من مئات الكيلومترات من الكابلات و 130 أداة مع 400 مستشعر ، ويقوم بأول مراقبة واسعة النطاق على مدار الساعة لنظام المحيط.

تجمع أجهزة استشعار نبتون التحليلات الكيميائية والفيزيائية لتحديد كيفية تغير البيانات الأوقيانوغرافية بمرور الوقت. تسجل الهيدروفونات الموجودة في قاع البحر الدلافين والحيتان لتتبع وفرة وطرق هجرتها. هناك أنظمة للتعرف على تسونامي للمسوحات الزلزالية وأجهزة الاستشعار التي تقيس كمية غازات الدفيئة في النظام البيئي للمحيط. يسافر روبوت يتم التحكم فيه عن بعد على طول قاع البحر للتحكم في رواسب الميثان تحت الماء.

NIF و ITER

مرفق الإشعال الوطني (NIF) - مجمع علمي لتنفيذ الاندماج النووي الحراري بالقصور الذاتي (ICF) باستخدام الليزر. استغرق البناء 12 عامًا وحوالي 4 مليارات دولار. يتكون المجمع من 192 ليزر عالي الطاقة ، يتم إرسال النبضات منها ، بعد التضخيم متعدد المراحل ، في وقت واحد إلى هدف مليمتر بالوقود النووي الحراري. قوة الليزر 500 TW. ستصل درجة حرارة الهدف إلى عشرات الملايين من الدرجات ، بينما ستتقلص 1000 مرة - ونتيجة لذلك ، سيكون الضغط في الداخل كما لو كان في قلب عملاق الغاز.

عندما تتلاقى 192 حزمة فردية على هدف يحتوي على ذرات الديوتريوم (الهيدروجين مع نيوترون واحد) والتريتيوم (الهيدروجين مع نيوترونين) ، تندمج نويات الذرات وتخلق اندفاعًا من الطاقة. في عام 2013 ، تم إشعال تفاعل نووي حراري في المنشأة ، حيث تجاوزت الطاقة المنبعثة أثناء التفاعل لأول مرة في العالم الطاقة التي يمتصها الهدف.


موقع بناء ضخم لمجمع ITER بمساحة 180 هكتار.

المشروع الذي يفوق NIF هو ITER (المفاعل التجريبي الحراري النووي الدولي) ، أكبر مفاعل اندماج في العالم يزن 23000 طن ، وهو ما يثبت الفوائد التجارية لاستخدام الطاقة النووية الحرارية. في الواقع ، كان ITER قيد الإنشاء لمدة عشر سنوات ، وتم الانتهاء من التطوير المفاهيمي لمفاعل الاندماج في عام 1989.
إنهم يعملون في المفاعل في جميع أنحاء العالم - روسيا والهند واليابان والصين وكوريا الجنوبية والولايات المتحدة ، وكذلك الاتحاد الأوروبي بأكمله. وهو أمر غير مفاجئ بالنظر إلى الميزانية - 19 مليار يورو. هذه واحدة من أغلى التجارب في تاريخ البشرية (على سبيل المقارنة ، تكلفة المصادم LHC "فقط" 4.4 مليار دولار).

لن يتم إطلاق المشروع ، الذي يتم فيه تسخين خليط الديوتريوم والتريتيوم إلى درجة حرارة تزيد عن مائة مليون درجة مئوية ، حتى عام 2025. إذا سارت الأمور على ما يرام ، فستتلقى البشرية البديل الواعد للنفط والغاز.