Um unser Universum besser zu verstehen und die Rolle des Menschen darin zu bestimmen, entwickeln Wissenschaftler immer ehrgeizigere Werkzeuge und führen groß angelegte Experimente durch. Die Wissenschaft hat lange die Grenze überschritten, über die die Bemühungen einzelner Genies, Experimente in ihren privaten Labors durchzuführen, hinausgehen. Große Wissenschaft erfordert jetzt teure Forschung, die seit Jahren von Forschungsgruppen aus vielen Ländern unterstützt wird.
Je größer die Experimente, desto beeindruckendere Entdeckungen erwarten uns. Wie bestimme ich die Skala? Dazu reicht es aus, die Höhe der Baukosten, die Anzahl der Mitarbeiter und die physischen Abmessungen des Projekts selbst zu kennen. Wir werden den wissenschaftlichen Nutzen des Projekts aus der Sicht eines gewöhnlichen Menschen nicht vergessen.
TANK
Der stärkste Beschleuniger der Erde beendete den ersten Zyklus seiner Arbeit im Februar 2013, nachdem er seine Hauptaufgabe gelöst hatte, fand er das Higgs-Boson. Wissenschaftler haben das letzte fehlende Fragment der Wechselwirkungen aller bekannten Teilchen und Kräfte innerhalb des Standardmodells entdeckt.
Die Physiker waren jedoch enttäuscht. Viele hofften, dass das Higgs-Teilchen nicht das sein würde, was die Theorie vorhersagte, oder dass die Annahme der Existenz eines Bosons völlig falsch sein würde. Zumindest hofften die Wissenschaftler, dass sich die Eigenschaften des Higgs-Bosons von denen des Standardmodells unterscheiden würden, sodass die Wissenschaftler eine neue Physik entwickeln könnten.
Abweichungen vom Standardmodell (eine Theorie in der Elementarteilchenphysik, die die elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkungen aller Elementarteilchen beschreibt) würden helfen, andere interessante Teilchen zu finden, um die Existenz supersymmetrischer Teilchen - Partnerteilchen für das gesamte Universum - zu beweisen. Zum Beispiel für ein Photon-Photino, für einen Quark-Squark, für Higgs-Higgsino und so weiter.
Stattdessen begannen wir an allen supersymmetrischen Theorien zu zweifeln. Es ist möglich, dass Hunderte von Physikern auf der ganzen Welt jahrzehntelang ihre Ressourcen darauf verwendet haben, nach dem zu suchen, was nicht ist.
In den nächsten Jahren werden Experimentatoren neue Daten sammeln, mit deren Hilfe Fragen zur Dunklen Materie, zur Dunklen Energie, zu den Eigenschaften von Neutrinos, zur Natur des Higgs-Bosons und möglicherweise zur nächsten Ära in der Physik beantwortet werden können.
Am 23. Mai fanden 2017 die ersten Protonenkollisionen im Large Hadron Collider statt. Die Kalibrierung von Detektoren und Tausenden von Subsystemen wurde abgeschlossen. Bis Ende 2017 soll der Kollider das Volumen der Kollisionsstatistik bei einer Energie von 13 Tera-Elektronen-Volt verdoppeln.
HL-LHC und ILC
ILC-Konzept.Bis 2020 plant das Europäische Zentrum für Kernforschung (CERN) die Modernisierung des LHC. „LHC bei hoher Leuchtkraft“ (High-Luminosity LHC) ist der Name des bevorstehenden Modernisierungsprojekts, dank dessen sich die Leuchtkraft des Geräts verzehnfacht. Leuchtkraft - eine Methode zur Messung der Leistung eines Beschleunigers, die die Intensität der Kollision von Partikeln zweier entgegenkommender Strahlen charakterisiert. Je höher die Leuchtkraft, desto mehr Daten können während des Experiments gesammelt werden.
Infolgedessen kollidieren Protonen bei Energien bis zu 30 TeV oder sogar höher, was zu noch mehr Kollisionen und einer Erhöhung der Partikelanzahl führt. Unter diesen Bedingungen wird die Arbeit der Physiker jedoch nur noch komplizierter - nur äußerst seltene Phänomene müssen aus der Masse der Ereignisse identifiziert werden. Es wird neue Versionen von Detektoren geben - superCMS und superATLAS.
Neben der Forschung am LHC ist geplant, die wissenschaftliche Arbeit aufgrund des International Linear Collider (ILC) zu erweitern, der den LHC selbst übertreffen wird. Der Elektron-Positron-Kollider wird aus zwei Linearbeschleunigern mit einer Länge von jeweils 12 km bestehen. Die Gesamtinstallationslänge wird auf 31 km geschätzt. Anschließend kann das Gaspedal durch neue Abschnitte ergänzt werden, wodurch sich die Einbaulänge auf 50 km erhöht.
ILC wird in der Lage sein, eine große Anzahl von Higgs-Bosonen zu erzeugen, wodurch Wissenschaftler die Eigenschaften des Partikels genau untersuchen können. Er konnte auch abnormale Ereignisse identifizieren, die die Untersuchung exotischer Theorien außerhalb des Standardmodells ermöglichen würden.
Als Alternative wird ein Ringelektronen-Positron-Kollider in Betracht gezogen, der eine echte Fabrik für die "Produktion" von Higgs-Bosonen werden könnte. Bei einer Leuchtkraft in der Region bis zu 200 GeV sind zyklische Kollider linearen Kollidern überlegen. Der Energiebereich des neuen Colliders reicht von 45 GeV bis 175 GeV, wodurch wir die Eigenschaften von Z-, W-, Higgs-Bosonen und t-Quarks detailliert untersuchen können. Gleichzeitig sind die Projektkosten niedriger als bei ILC.
Im Jahr 2020 plant das CERN, über den Bau eines "Colliders der Zukunft" zu entscheiden und aus zwei vielversprechenden Optionen zu wählen.
Geheimnisvolle Neutrinos
Das GERmanium Detector Array (GERDA) sucht nach Neutrinos, indem es die elektrische Aktivität in reinen Germaniumkristallen überwacht, die tief unter einem Berg in Italien isoliert sind. Wissenschaftler, die mit GERDA arbeiten, hoffen, eine sehr seltene Form des radioaktiven Zerfalls zu entdecken.Das Neutrino ist eines der mysteriösesten Teilchen im Universum. Es hat eine winzige Masse - der Nobelpreis für Physik im Jahr 2016 wurde für die Tatsache verliehen, dass "Neutrinoschwingungen entdeckt wurden, die zeigen, dass Neutrinos Masse haben". Neutrinos interagieren fast nie mit Materie - etwa 6 × 10
10 Neutrinos, die von der Sonne emittiert werden, passieren jede Sekunde die Erdoberfläche mit einer Fläche von 1 cm².
Physiker versuchen derzeit, einige Eigenschaften von Neutrinos herauszufinden, die in Frage bleiben. Wissenschaftler wissen, dass das Standardmodell bereits verletzt ist, teilweise weil Neutrinos Masse haben, während das Standardmodell sagt, dass sie keine Masse haben sollten.
Doppel-Beta-Zerfallsexperimente könnten erklären, warum das Universum aus Materie besteht. Das Standardmodell sagt voraus, dass nach dem Urknall Materie und Antimaterie zu gleichen Anteilen erzeugt werden sollten. Aber da sich diese beiden widersprüchlichen Formen der Materie gegenseitig vernichten, müsste das Universum aus nichts bestehen.
Beta-Zerfall tritt auf, wenn ein Neutron (ein neutrales Teilchen in einem Atomkern) sich spontan in ein Proton und ein Elektron verwandelt und dabei ein Antineutrino emittiert. Der Prozess kann auch einen etwas anderen Weg haben: Das Neutron absorbiert das Neutrino und verwandelt sich in ein Proton und ein Elektron. Double-Beta-Zerfall wäre eine äußerst seltene Situation, in der das im ersten Fall auftretende Antineutrino im zweiten Fall vom Neutron absorbiert wird.
So etwas kann nur passieren, wenn Neutrino und Antineutrino im Grunde genommen gleich sind: wenn das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist. Niemand weiß, ob dies so ist, aber wenn ja, dann hätte das Universum mit dem frühen Zerfall der Neutrinos etwas mehr Materieteilchen als Antimaterie erzeugt.
NOVA, T2K und DUNE
Detektor NOνA, Fermilab.Das NOνA-Projekt (NuMI Off-Axis νe Appearance) hat mehrere hundert Wissenschaftler und Ingenieure aus 40 Instituten aus acht Ländern zusammengebracht. Aus Russland stammen das Institut für Kernforschung RAS (INR RAS) und das nach ihm benannte Physikinstitut P.N. Lebedeva (LPI) und das Joint Institute for Nuclear Research aus Dubna.
Das Projekt verwendet einen Neutrino-Strahl eines NuMI-Generators (Neutrinos am Hauptinjektor). Zur Durchführung des NOvA-Experiments wurden zwei Laboratorien gebaut, die 800 Kilometer von der Neutrinoquelle entfernt sind. Der Neutrino-Strom, der aus den Eingeweiden des NuMI-Generators kommt, passiert die Erdschichten und tritt in riesige Sensoren ein, die sich auf beiden Seiten des Partikelbewegungswegs befinden. Ein ähnliches Experiment in Japan namens T2K sendet Neutrinos über 295 Kilometer der Erdoberfläche.
Einer der Neutrino-Sensoren im NOνA-Projekt: 14,3 Meter lang, 4,2 Meter hoch, 2,9 Meter breit. Und der größte wiegt 14.000 Tonnen: seine Länge beträgt 78 m, seine Höhe 15,6 m, seine Breite 15,6 m - dies ist die größte Kunststoffstruktur der Erde.NOνA ist jedoch nicht die Grenze. Jetzt wird das DUNE-Experiment (Deep Underground Neutrino Experiment) auf der Grundlage des Fermilab-Beschleunigerkomplexes (Fermi National Laboratory, NOνA-Pass hier) und des vorhandenen
LBNE- Neutrino-Detektors (Long-Baseline Neutrino Facility)
vorbereitet . Es ist geplant, dass der NuMI-Partikelgenerator und ein neuer Sensor mit 40.000 Litern flüssigem Argon in einem Abstand von 1300 km voneinander angeordnet werden.
Diese Studien werden dazu beitragen, die Hypothese zu überprüfen, dass es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt. Neben der Untersuchung von Neutrinos stellt sich das Experiment der Aufgabe, in mehreren wichtigen Zerfallsmodi nach Protonenzerfall zu suchen. Auch wenn die Forschungsdaten nicht mit den Erwartungen der Wissenschaftler übereinstimmen, werden sie nützlich sein, da sie die vielen jetzt vorgeschlagenen Hypothesen beseitigen.
Daya Bucht
Daya Bay ist ein in China durchgeführtes Experiment zur Untersuchung von Neutrino-Oszillationen (ein Effekt, der durch eine Änderung der Art (oder des Geschmacks) von Neutrinos beim Übergang von der Quelle zum Detektor verursacht wird). Die Anlage befindet sich in drei unterirdischen Hallen und besteht aus acht Antineutrino-Flüssigszintillationsdetektoren, von denen jeder 20 Tonnen Flüssigszintillator enthält. Die Quelle des Antineutrinos sind sechs Kernreaktoren (jeder mit einer Wärmeleistung von etwa 3 GW), die sich in Abständen von ~ 500 bis ~ 1800 Metern von den Detektoren befinden. Wissenschaftler aus Daya Bay versuchen, zwei Schlüsselparameter der Neutrinophysik herauszufinden - den "Neutrino-Mischwinkel" und die "Differenz der Quadrate der Neutrino-Massen".
Erkennung der Dunklen Materie
Was ist dunkle Materie? Niemand weiß es noch. Es gibt viel dunkle Materie im Universum - eine Substanz, die wir in keinem Bereich des elektromagnetischen Spektrums direkt registrieren, sondern die sich in Galaxien und ihren Clustern „sammelt“. Diese Angelegenheit sollte aus Partikeln einer neuen Art bestehen, die im Standardmodell keinen Platz haben.
Es gibt viele Experimente, bei denen direkte Beweise für die Existenz dunkler Materie gesucht werden. Die Schwierigkeit ist, dass sie alle auf verschiedene Dinge hinweisen.
Detektor LUX.Ein sehr empfindlicher Detektor namens LUX (Large Underground Xenon) sollte helfen, Verwirrung zu beseitigen, fügte jedoch noch
mehr Geheimnisse hinzu . LUX befindet sich in einer verlassenen Goldmine in South Dakota. Die Installation wurde Mitte 2013 gestartet und hat seitdem keine Partikel dunkler Materie gefunden.
Der nächste hochempfindliche LZ-Detektor wird bereits vorbereitet, um LUX zu ersetzen. Gleichzeitig bereitet die DARWIN-Kollaboration einen 25-Tonnen-Xenon-Detektor vor - zum Vergleich: In LUX gibt es nur 370 kg Xenon.
Das Problem ist, dass Wissenschaftler keinen Konsens darüber haben, wie sie nach dunkler Materie suchen sollen. Es gibt verschiedene Projekte, und niemand kann vorhersagen, welches einen positiven Effekt haben wird. Aber jedes Projekt verbraucht eine enorme Menge an Ressourcen der wissenschaftlichen Gemeinschaft.
Beobachtung der Dunklen Energie
Nach Beobachtungen des Planck-Weltraumobservatoriums besteht die gesamte Massenenergie des beobachtbaren Universums aus 68,3% der Dunklen Energie (26,8% sind dunkle Materie und alles andere ist etwas anderes). Gleichzeitig wissen die Physiker immer noch nicht, was dunkle Energie ist, wie sie die Expansion des Universums verursacht (und ob sie verursacht). Dunkle Energie ist nur ein bedingter Begriff für ein scheinbar sehr großes kosmisches Mysterium. Aber Wissenschaftler geben Versuche, dieses Rätsel zu "beleuchten", nicht auf.
Das Projekt Dark Energy Survey (DES) wird den Nachthimmel bis 2019 untersuchen. Das DES-Hauptwerkzeug ist eine 570-Megapixel-Kamera (eine der leistungsstärksten der Welt), die in den Körper des vier Meter langen Teleskops
Victor M. Blanco in den chilenischen Anden integriert ist. Das optische System der Kamera besteht aus fünf Linsen mit einer genau definierten Form. Der Durchmesser des größten von ihnen beträgt 90 Zentimeter.
DES kann Licht einfangen, das von Hunderttausenden von Sternen ausgeht, die 8 Milliarden Lichtjahre von der Erde entfernt sind. Sie können die Energie selbst nicht sehen. Wenn Sie jedoch eine vollständige Karte der Verteilung der Dunklen Materie erstellen, können Wissenschaftler messen, wie schnell die relative Verschiebung dieser Massen der Dunklen Materie auftritt. Diese Daten werden dazu beitragen, die Energie, die für die Expansion des Universums verantwortlich ist, besser zu verstehen.
Natürlich ist auch die Dunkle Materie selbst unsichtbar, aber ihre Anwesenheit kann durch die Gravitationsverzerrungen des Lichts von entfernten astronomischen Objekten erkannt werden. Astrophysiker suchen nach einer bestimmten Art von Verzerrung der mit DES empfangenen digitalen Bilder - den sogenannten Gravitationslinsen.
Durch den Vergleich des Konvergenzgrades der uns bekannten Massen dunkler Materie in verschiedenen Stadien der Entwicklung des Universums auf der Grundlage der Analyse von Bildern astronomischer Objekte in unterschiedlichen Entfernungen von uns können Kosmologen die Geschwindigkeit und Dynamik der Expansion bewerten. Und dies kann wiederum eine Antwort auf die Natur der Dunklen Energie geben oder das völlige Scheitern der Theorie beweisen.
NEPTUNE Observatorium
Dieses Experiment betrifft einen anderen Kosmos, der uns zu Füßen liegt. Ozeane bedecken fast drei Viertel der Erdoberfläche und enthalten 90% des gesamten Lebens, sind jedoch nur unzureichend untersucht. Das NEPTUNE Ocean Observatory (das unter Wasser vernetzte Experiment der Zeitreihe im Nordostpazifik) besteht aus Hunderten von Kilometern Kabeln und 130 Instrumenten mit 400 Sensoren und führt die erste groß angelegte Überwachung des Ozeansystems rund um die Uhr durch.
Neptunsensoren sammeln chemische und physikalische Analysen, um festzustellen, wie sich ozeanografische Daten im Laufe der Zeit ändern. Auf dem Meeresboden befindliche Hydrophone erfassen Delfine und Wale, um ihre Häufigkeit und Migrationsrouten zu verfolgen. Es gibt Tsunami-Erkennungssysteme für seismische Vermessungen und Sensoren, die die Menge an Treibhausgasen im Ökosystem des Ozeans messen. Ein ferngesteuerter Roboter fährt entlang des Meeresbodens, um Methanablagerungen unter Wasser zu kontrollieren.
NIF und ITER
National Ignition Facility (NIF) - ein wissenschaftlicher Komplex zur Implementierung der Inertial Thermonuclear Fusion (ICF) unter Verwendung von Lasern. Der Bau dauerte 12 Jahre und rund 4 Milliarden US-Dollar. Der Komplex besteht aus 192 Hochleistungslasern, deren Impulse nach mehrstufiger Verstärkung gleichzeitig mit thermonuklearem Brennstoff an ein Millimeter-Target gesendet werden. Die Laserleistung beträgt 500 TW. Die Temperatur des Ziels wird zig Millionen Grad erreichen, während sie 1000-mal schrumpft - infolgedessen wird der Druck im Inneren wie im Kern des Gasriesen sein.
Wenn 192 einzelne Strahlen auf ein Ziel konvergieren, das Atome von Deuterium (Wasserstoff mit einem Neutron) und Tritium (Wasserstoff mit zwei Neutronen) enthält, verschmelzen die Atomkerne und erzeugen einen Energiestoß. Im Jahr 2013 wurde in der Anlage eine thermonukleare Reaktion gezündet, bei der zum ersten Mal auf der Welt die während der Reaktion freigesetzte Energie die vom Ziel absorbierte Energie überstieg.
Riesige Baustelle des ITER-Komplexes mit einer Fläche von 180 Hektar.Das Projekt, das NIF in den Schatten stellt, ist ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), der weltweit größte Fusionsreaktor mit einem Gewicht von 23.000 Tonnen, der die kommerziellen Vorteile der Nutzung von thermonuklearer Energie beweisen soll. Tatsächlich befindet sich ITER seit zehn Jahren im Bau, und die konzeptionelle Entwicklung des Fusionsreaktors wurde bereits 1989 abgeschlossen.
Sie arbeiten weltweit am Reaktor - Russland, Indien, Japan, China, Südkorea und die USA sowie die gesamte Europäische Union. Kein Wunder angesichts des Budgets von 19 Milliarden Euro. Dies ist eines der teuersten Experimente in der Geschichte der Menschheit (zum Vergleich: Der LHC kostete "nur" 4,4 Milliarden Dollar).
Das Projekt, bei dem das Deuterium-Tritium-Gemisch auf eine Temperatur von mehr als 100 Millionen Grad Celsius erhitzt werden soll, wird erst 2025 gestartet. Wenn alles gut geht, wird die Menschheit die vielversprechendste Alternative zu Öl und Gas erhalten.