7 große Experimente, die immer noch nicht das gewünschte gefunden haben

Super Kamiokande Neutrino Detektor

Ein experimenteller Wissenschaftler ist oft ein undankbarer Beruf. Sie lesen Nachrichten über Experimente, die mit großen Entdeckungen endeten, aber nur wenige haben von oft heldenhaften Versuchen von Experimentatoren gehört, die noch nicht entdeckt oder beobachtet haben, wofür sie gemacht wurden.

Einige der Versuche dauern seit Jahrzehnten an und sehen den Wandel von Generationen von Menschen, berücksichtigen ihre Arbeitsstunden und Erfahrungen. Das Fehlen eines Ergebnisses hat jedoch manchmal die gleiche wissenschaftliche Bedeutung wie jede angekündigte Entdeckung: Wir erfahren, was die reale Welt nicht ist oder was nicht. Andererseits hätte das Erhalten einer positiven Antwort von einem dieser Experimente weitreichende Konsequenzen für unser Verständnis des Universums und unseres Platzes darin.

Wir bieten Ihnen eine Liste von sieben laufenden Experimenten an, bei denen das gewünschte noch nicht gefunden wurde. Alle von ihnen sind erstaunlich in ihrem Genie und Ehrgeiz. Es ist nicht überraschend, dass sie versuchen, sie fortzusetzen und zu unterstützen.

Um Licht auf dunkle Materie zu werfen, vergraben Sie einen Tank mit flüssigem Xenon im Boden

Wissenschaftler haben die Theorie aufgestellt, dass die Filamente der Dunklen Materie ein bestimmtes Skelett bilden, auf dem sich alle Galaxien befinden, die wir sehen. Jeder von ihnen ist von einem Lichthof aus dunkler Materie umgeben, der zusätzliche Schwerkraft bietet, die erklärt, wie sich Sterne um galaktische Zentren drehen. Aber wir müssen die Dunkle Materie noch direkt entdecken. Obwohl in den letzten Jahrzehnten viele Versuche unternommen wurden, dunkle Materie durch extrem schwache Wechselwirkungen mit gewöhnlicher Materie zu erkennen, scheiterten sie alle.

Unter den verschiedenen Formen, die dunkle Materie annehmen kann, sind die sogenannten schwach wechselwirkende massive Teilchen (Weimly Interacting Massive Particles, WIMPs) sind eine der interessantesten Möglichkeiten für Spezialisten in der Teilchenphysik. Das LUX- Experiment, das sich mehr als einen Kilometer unter der Erde in einer ehemaligen Mine in South Dakota befindet, hat dazu beigetragen, die Messlatte für die Nichterkennung von WIMPs sehr hoch zu legen. Die Ausrüstung ist ein Reservoir mit 72.000 Tonnen hochreinem Wasser, das störende kosmische Strahlen herausfiltert. Im Inneren befindet sich eine Drittel Tonne flüssiges Xenon, umgeben von Sensoren, die empfindlich genug sind, um Licht zu erfassen, das infolge einer Kollision dunkler Materie mit Xenonatomen emittiert wird.

Das Versagen von LUX, Spuren von dunkler Materie zu erkennen, führte zur Aufrüstung von LUX-Zeplin - zu einem Experiment, bei dem fast 20-mal mehr flüssiges Xenon verwendet wird als bei LUX. Wird das neue Experiment etwas finden, wo der LUX dies nicht konnte? Die Zeit wird es zeigen. Anscheinend spottet die Natur gern über die Hoffnungen und Erwartungen der Wissenschaftler.

Um die vom Urknall übrig gebliebenen Gravitationswellen tatsächlich zu sehen, untersuchen Sie verschiedene Frequenzen

Gravitationswellen (das Gravitationsanalogon von elektromagnetischer Strahlung oder Licht) aus der Zeit des Urknalls sollten in der von uns in alle Richtungen beobachteten Reliktstrahlung, die nach der Explosion, die das beobachtbare Universum schuf, zurückblieb, eine einzigartige Spur hinterlassen haben. Es zeigt winzige Temperatur- und Polarisationsschwankungen und liefert uns ein Foto des Gravitationsfeldes zur gleichen Zeit - als das Universum 379.000 Jahre alt war - als sich die ersten neutralen Wasserstoffatome bildeten. Diese Spur sollte ein rotierendes polarisierendes Bild sein, dessen Fachbegriff B-Moden ist .

Die Freude, die durch die Ankündigung der Entdeckung solcher B-Mods im Jahr 2014 durch BICEP / Keck verursacht wurde, erwies sich als verfrüht. Was sich als primäre Gravitationswellen herausstellte, stellte sich als polarisierte Staubpartikel in hohen galaktischen Breiten heraus, die das gleiche rotierende Polarisationsbild simulieren konnten, das Gravitationswellen zeigen sollten.

Trotzdem wurde die BICEP-Gruppe auf die BICEP3- Konfiguration aktualisiert, die aus einer Reihe von 2500 Sensoren (Bolometern) besteht, mit denen die Reliktstrahlung bei viel niedrigeren Frequenzen als in der vorherigen Version überwacht werden kann. Zehn Jahre Beobachtungen mit verschiedenen Versionen des BICEP-Teleskops führten nicht zur Entdeckung der B-Moden der primären Gravitationswellen, aber die Suche wird nicht aufhören - die Konkurrenz, sie zuerst zu entdecken, erwärmt sich nur.

Um herauszufinden, ob sich starke nukleare und elektroschwache Wechselwirkungen verbinden, suchen Sie nach einem „Überschallknall“ im Licht

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist der Höhepunkt jahrzehntelanger Wechselwirkungen zwischen Theorie und Experiment, von der Geburt der Quantenmechanik bis zur Annahme, dass schwache Kernwechselwirkungen (die für bestimmte Arten des radioaktiven Zerfalls verantwortlich sind) und Elektromagnetismus verschiedene Aspekte einer „elektroschwachen“ Wechselwirkung sind. Die elektromagnetischen und schwachen Wechselwirkungen scheinen uns nur im Maßstab eines typischen Laborexperiments unterschiedlich zu sein, da das Higgs-Feld - das den mit ihm wechselwirkenden Partikeln Masse verleiht - die diesen beiden Wechselwirkungen innewohnende Symmetrie verbirgt.

Im Standardmodell gibt es eine weitere starke nukleare Wechselwirkung, die sich mit der Elektroschwäche bei Energien vereinigen sollte, die eine Billion Mal höher sind als die, die wir am CERN in der "Großen Vereinigung" erreichen können. Eine seiner Vorhersagen ist, dass das Proton nicht mehr stabil ist und in andere Teilchen - Pionen und Positronen - zerfallen kann, obwohl dies selten genug ist, so dass die Halbwertszeit mehr als hundert Billionen Billionen Mal so hoch sein kann wie die des gegenwärtigen Zeitalters des Universums.

Super Kamiokande - und das geplante Upgrade Hyper Kamiokande - befindet sich einen Kilometer unterhalb des Berges in Kamiokas Labor in Zentraljapan. Dieses Experiment sucht unter anderem nach Anzeichen für solch äußerst seltene Protonenzerfälle in unrealistischen Größen von Reinstwassertanks. Super-Kamiokande sucht im Weltraum nach schwachen Lichtblitzen, die als Cherenkov-Strahlung bekannt sind - das optische Äquivalent von Überschall-Pop - und sucht nach energiereichen Partikeln, in die ein Proton zerfällt.


Cherenkov-Strahlung im Kern eines fortschrittlichen Testreaktors im Idaho National Laboratory

Bisher wurde nichts entdeckt. Hyper-Kamiokande, dessen geplante Empfindlichkeit zehnmal höher sein wird, sollte jedoch bereits 2020 mit den Beobachtungen beginnen.

Um die Supersymmetrie zu überprüfen, untersuchen Sie das Neutron

Das Standardmodell der Teilchenphysik sagt voraus, dass ein Neutron - das zusammen mit einem Proton den Inhalt eines Atomkerns bildet - ein extrem kleines elektrisches Dipolmoment (EDM) aufweist, einen festen Abstand, der zwei entgegengesetzte Ladungen trennt. Es ist wegen seiner geringen Größe höchstwahrscheinlich noch nicht entdeckt worden. Theorien, die das Standardmodell durch Supersymmetrie ergänzen - eine hypothetische Äquivalenz von Wechselwirkungen und Materie - sagen jedoch normalerweise EDM voraus, 100.000-mal größer als SM vorhersagt.

Durch die Einführung von Beschränkungen für die Größe des Neutronen-EDM kann überprüft werden, ob Supersymmetrie in der Natur vorhanden ist, und zwar durch ein Verfahren, das strenger ist als das Beschleunigen von Partikeln in Kollidern. Das CryoEDM- Experiment versucht dies nur am Laue Langevin-Institut in Grenoble, Frankreich. Wenn Sie den Unterschied in der Spinpräzession sehr langsamer Neutronen - dh beim Ändern der Ausrichtung der Rotationsachse - bei Vorhandensein magnetischer und elektrischer Felder beobachten, können Sie das Neutronen-EDM, falls vorhanden, genau messen, da die Präzessionsgeschwindigkeit von seinem Vorhandensein abhängt.

Wenn CryoEDM seine berechnete Empfindlichkeit erreicht, kann es das Vorhandensein von Supersymmetrie ausschließen oder bestätigen. Die Beobachtung von EDM wird ein verlockender Beweis für das Vorhandensein von Supersymmetrie in der Natur sein, da der vom Standardmodell vorhergesagte Wert zu klein ist, um mit der aktuellen Empfindlichkeit der Experimente erfasst zu werden.

Schauen Sie sich die Schwerkraft an, um zusätzliche Abmessungen festzustellen.

Wenn zusätzliche Abmessungen vorhanden sind, können sie den Betrieb der Schwerkraft in sehr kleinen Entfernungen beeinflussen. Sie implizieren nicht nur Abweichungen vom üblichen Gesetz der inversen Quadrate der Newtonschen Schwerkraft, sondern auch die Existenz neuer Kräfte, die auf kurze, mit der Schwerkraft vergleichbare Entfernungen wirken und die sogenannte verletzen Äquivalenzprinzip. Das Prinzip postuliert, dass alle Materie - die Kanonenkugel, der Apfel - in einem bestimmten Gravitationsfeld gleichermaßen fällt. Und die Merkmale der zusätzlichen Dimensionen sind, dass die Felder, die die Größe der zusätzlichen Dimensionen steuern, die Schwerkraft nachahmen, jedoch nur in sehr kurzen Entfernungen, und gleichzeitig auf verschiedene Arten von Materie unterschiedlich wirken.


Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass zusätzliche Messungen die Form einer 6-dimensionalen Calabi-Yau-Mannigfaltigkeit annehmen könnten, was zur Idee der Spiegelsymmetrie führte

Obwohl Einsteins allgemeine Relativitätstheorie auf Skalen vom Sonnensystem bis zum Universum rigoros getestet wurde, haben Forscher gerade erst damit begonnen, sie auf Submillimeter-Skalen zu testen.

Mit genau kalibrierten Torsionsskalen sucht die Eöt-Wash-Kollaborationsgruppe (benannt nach Baron von Eötvös, der die ersten derartigen Experimente im frühen 20. Jahrhundert und in der Stadt Washington durchgeführt hat) der University of Washington - neben Abweichungen vom Gesetz - nach Verstößen gegen das Äquivalenzprinzip inverse Quadrate - auf Skalen, die sich einem 100.000stel Meter nähern. Bisher wurden keine Modifikationen für Newtons Gesetze oder das Äquivalenzprinzip gefunden, was darauf hindeutet, dass zusätzliche Messungen im gefalteten Zustand viel weniger als einige Zehntel Mikrometer betragen.

Um die kosmologischen "dunklen Jahrhunderte" zu beobachten, stellen Sie ein schwaches Funksignal ein

Es gab eine Ära in der Geschichte des Universums, über die vergleichsweise wenig bekannt ist - dies sind die sogenannten dunklen Jahrhunderte. Dies ist die Ära nach der Rekombination, nach der Bildung der ersten neutralen Wasserstoffatome und bevor die ersten Sterne zu leuchten begannen.

Das Wasserstoffatom selbst strahlt nichts Besonderes aus. Aber wie ein Planet, der um die Sonne kreist und sich auch um seine Achse dreht, "dreht" sich ein einzelnes Elektron, das einen Wasserstoffkern umkreist, um seine Achse, die relativ zu seiner Orbitalbewegung in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung gerichtet ist. Im letzteren Fall hat er weniger Energie.

Ein kleiner Teil des neutralen Wasserstoffs, der im dunklen Zeitalter durch Reliktstrahlung beleuchtet wurde, wurde angeregt und in einen Zustand mit höherer Energie und gleicher Richtwirkung versetzt. Und nach dem Übergang dieser angeregten Atome in einen energiearmen Zustand mit einer multidirektionalen Konfiguration senden sie ein Signal mit einer Frequenz von 1,4 GHz aus, was einem sehr schwachen Funksignal mit einer Wellenlänge von 21 cm entspricht. Die Detektion von 21 cm Hintergrundstrahlung ermöglicht es uns, in das dunkle Zeitalter zu schauen.

Das Low Frequency Array ( LOFAR ) ist ein Array von 20.000 Phasenantennen in Europa (den meisten Niederlanden), die seit 2012 in den Weltraum blicken, um dieses schwache Signal zu erkennen. Aber die Erde und die Galaxie, in der sie sich befindet, sind sehr verrauschte Orte, und bisher konnten wir kein Signal aus dem dunklen Zeitalter erkennen, das lokales Rauschen überwindet. Es sind ehrgeizige Pläne im Gange, das internationale Array Square Kilometer Array ( SKA ) zu schaffen, aber bis jetzt bleibt das dunkle Zeitalter dunkel.

Um Aliens zu finden, hören Sie einfach nicht auf zuzuhören

Die Entdeckung überzeugender Beweise für die Existenz eines anderen intelligenten Lebens im Universum wird ein Wendepunkt im Leben unserer Zivilisation sein. Gemeinsame Anstrengungen, die aus einer Vielzahl von Experimenten bestanden, zielten darauf ab, nach außerirdischen Signalen intelligenter Zivilisationen zu suchen, fast so viel wie es Radio gibt. Die Idee ist, dass künstliche Funksignale aufgrund ihres engen Frequenzbereichs und der sich wiederholenden Natur von natürlichen (astrophysikalischen) Quellen unterschieden werden können, wie dies bei menschlichen Radiosendungen der Fall ist. Ein verführerischer Kandidat für ein solches Signal wurde 1977 entdeckt, obwohl es seitdem nicht mehr gesehen wurde, und die Möglichkeit seines natürlichen Ursprungs kann nicht ausgeschlossen werden.


Das Arecibo-Observatorium in Puerto Rico beteiligt sich an der Suche nach außerirdischer Intelligenz

Das SETI-Experiment (Suche nach außerirdischer Intelligenz) wird mit verschiedenen Radioteleskopen durchgeführt, darunter Allens Antenna Array , das kürzlich mit Technologien ausgestattet wurde, die üblicherweise zur Suche nach Exoplaneten verwendet werden. Wissenschaftler haben sie auch dazu veranlasst, nach möglichen außerirdischen Megastrukturen zu suchen, deren Existenz vom Physiker Freeman Dyson vorgeschlagen wurde. Entwickelte Zivilisationen können solche Strukturen bauen, um direkt Sternenenergie zu sammeln. Und obwohl jahrzehntelang nichts entdeckt wurde, ist die kollektive Suche nach außerirdischer Intelligenz heute besser gerüstet als je zuvor. Sie ergreifen Maßnahmen in Bezug auf die Besorgnis von Arthur Clark, die er in dem berühmten Satz ausdrückt: „Es gibt zwei Möglichkeiten: Entweder sind wir allein im Universum oder nicht. Beide sind gleichermaßen erschreckend. “