Para comprender mejor nuestro universo y determinar el papel del hombre en él, los científicos crean herramientas cada vez más ambiciosas y realizan experimentos a gran escala. La ciencia ha cruzado la línea más allá de la cual faltan los esfuerzos de genios individuales que realizan experimentos en sus laboratorios privados. La gran ciencia ahora requiere una investigación costosa, respaldada durante años por grupos de investigación de muchos países.
Mientras más grandes sean los experimentos, nos esperan descubrimientos más impresionantes. ¿Cómo determinar la escala? Para hacer esto, es suficiente saber la cantidad de costos de construcción, la cantidad de personal y las dimensiones físicas del proyecto en sí. No nos olvidaremos de la utilidad científica del proyecto desde el punto de vista de una persona común.
Tanque
El acelerador más poderoso en la Tierra completó el primer ciclo de su trabajo en febrero de 2013, después de haber resuelto su tarea principal, encontró el bosón de Higgs. Los científicos han descubierto el último fragmento faltante de las interacciones de todas las partículas y fuerzas conocidas dentro del Modelo Estándar.
Sin embargo, los físicos estaban decepcionados. Muchos esperaban que la partícula de Higgs no fuera lo que la teoría predijo, o que la suposición de la existencia de un bosón estaría completamente equivocada. Por lo menos, los científicos esperaban que las propiedades del bosón de Higgs fueran diferentes de las predichas por el Modelo Estándar para que los científicos pudieran avanzar para crear una nueva física.
Las desviaciones del modelo estándar (una teoría en física de partículas elementales que describe las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes de todas las partículas elementales) ayudarían a encontrar otras partículas interesantes, para demostrar la existencia de partículas supersimétricas, partículas asociadas para todo el Universo. Por ejemplo, para un fotón - fotino, para un quark - squark, para Higgs - Higgsino, y así sucesivamente.
En cambio, comenzamos a dudar de todas las teorías supersimétricas. Es posible que cientos de físicos de todo el mundo durante décadas hayan gastado sus recursos buscando lo que no es.
En los próximos años, los experimentadores recopilarán nuevos datos que ayudarán a responder preguntas sobre la materia oscura, la energía oscura, las propiedades de los neutrinos, la naturaleza del bosón de Higgs y, posiblemente, cómo será la próxima era en física.
El 23 de mayo, las primeras colisiones de protones en 2017 tuvieron lugar en el Gran Colisionador de Hadrones. Se ha completado la calibración de detectores y miles de subsistemas. Para fines de 2017, se espera que el colisionador duplique el volumen de las estadísticas de colisión a una energía de 13 tera-electrón-voltios.
HL-LHC e ILC
Concepto de ILC.Para 2020, el Centro Europeo de Investigación Nuclear (CERN) planea modernizar el LHC. "LHC con alta luminosidad" (LHC de alta luminosidad) es el nombre del próximo proyecto de modernización, gracias al cual la luminosidad del dispositivo aumentará 10 veces. Luminosidad: un método para medir el rendimiento de un acelerador, que caracteriza la intensidad de la colisión de partículas de dos haces que se aproximan. Cuanto mayor sea la luminosidad, más datos se pueden recopilar durante el experimento.
Como resultado, los protones colisionarán a energías de hasta 30 TeV o incluso más, lo que conducirá a más colisiones y un aumento en el número de partículas. Sin embargo, en estas condiciones, el trabajo de los físicos solo se volverá más complicado: solo los fenómenos extremadamente raros deberán identificarse a partir de la masa de eventos. Habrá nuevas versiones de detectores: superCMS y superATLAS.
Además de la investigación en el LHC, se planea expandir el trabajo científico debido al International Linear Collider (ILC), que superará al LHC. El colisionador electrón-positrón constará de dos aceleradores lineales cada uno de 12 km de largo. La longitud total de la instalación se estima en 31 km. Posteriormente, el acelerador se puede complementar con nuevas secciones, como resultado de lo cual la longitud de la instalación aumentará a 50 km.
ILC podrá crear una gran cantidad de bosones de Higgs, lo que permite a los científicos estudiar con precisión las propiedades de la partícula. También pudo identificar eventos anormales que permitirían la investigación de teorías exóticas fuera del Modelo Estándar.
Como alternativa, se considera un colisionador de anillo de positrones de electrones, que podría convertirse en una verdadera fábrica para la "producción" de bosones de Higgs. En luminosidad en la región hasta 200 GeV, los colisionadores cíclicos son superiores a los lineales. El rango de energía del nuevo colisionador es de 45 GeV a 175 GeV, lo que nos permite estudiar en detalle las propiedades de los bosones Z, W, Higgs y quarks t. Al mismo tiempo, el costo del proyecto es más bajo que ILC.
En 2020, el CERN planea decidir sobre la construcción de un "colisionador del futuro", eligiendo entre dos opciones prometedoras.
Neutrinos misteriosos
El GERmanium Detector Array (GERDA) busca neutrinos mediante el monitoreo de la actividad eléctrica dentro de cristales de germanio puro aislados en las profundidades de una montaña en Italia. Los científicos que trabajan con GERDA esperan descubrir una forma muy rara de descomposición radiactiva.El neutrino es una de las partículas más misteriosas del universo. Tiene una masa minúscula: el Premio Nobel de Física en 2016 fue otorgado por el solo hecho de "el descubrimiento de oscilaciones de neutrinos que muestran que los neutrinos tienen masa". Los neutrinos casi nunca interactúan con la materia: aproximadamente 6 × 10
10 neutrinos emitidos por el Sol pasan cada segundo a través de la superficie de la tierra con un área de 1 cm².
Los físicos actualmente están tratando de descubrir algunas propiedades de los neutrinos que siguen en cuestión. Los científicos saben que el Modelo Estándar ya está violado, en parte porque los neutrinos tienen masa, mientras que el Modelo Estándar dice que no deberían tener masa.
Los experimentos de doble desintegración beta podrían explicar por qué el universo está hecho de materia. El modelo estándar predice que después del Big Bang, la materia y la antimateria deberían haberse creado en proporciones iguales. Pero dado que estas dos formas conflictivas de materia se aniquilan entre sí, el universo no debería consistir en nada.
La desintegración beta ocurre cuando un neutrón (una partícula neutra en un núcleo atómico) se convierte espontáneamente en un protón y un electrón, en el proceso que emite un antineutrino. El proceso también puede tener una ruta ligeramente diferente: el neutrón absorbe el neutrino y se convierte en un protón y un electrón. La desintegración beta doble sería una situación extremadamente rara en la cual el antineutrino que aparece en el primer caso es absorbido por el neutrón en el segundo.
Tal cosa puede suceder solo cuando el neutrino y el antineutrino son básicamente iguales: es decir, si el neutrino es su propia antipartícula. Nadie sabe si esto es así, pero si es así, con las primeras desintegraciones de los neutrinos, el Universo habría creado un poco más de partículas de materia que la antimateria.
NOVA, T2K y DUNE
Detector NOνA, Fermilab.El proyecto NOνA (NuMI Off-Axis νe Apariencia) ha reunido a varios cientos de científicos e ingenieros de 40 institutos de ocho países. De Rusia, el Instituto de Investigación Nuclear RAS (INR RAS) y el Instituto de Física llevan el nombre P.N. Lebedeva (LPI) y el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna.
El proyecto utiliza un haz de neutrinos de un generador NuMI (Neutrinos en el inyector principal). Para implementar el experimento NOvA, se construyeron dos laboratorios ubicados a 800 kilómetros de la fuente de neutrinos. La corriente de neutrinos, que sale de las entrañas del generador NuMI, atraviesa los estratos de la tierra y entra en enormes sensores que se encuentran a ambos lados de la ruta de movimiento de las partículas. Un experimento similar en Japón llamado T2K envía neutrinos a través de 295 kilómetros de la superficie terrestre.
Uno de los sensores de neutrinos en el proyecto NOνA: 14.3 metros de largo, 4.2 metros de alto, 2.9 metros de ancho. Y el más grande pesa 14 mil toneladas: su longitud es 78 m, altura 15,6 m, ancho 15,6 m: esta es la estructura plástica más grande de la Tierra.Sin embargo, NOνA no es el límite. Ahora el experimento DUNE (Experimento de neutrinos subterráneos profundos) se está preparando sobre la base del complejo acelerador de Fermilab (Fermi National Laboratory, NOνA pasa aquí) y el detector de neutrinos
LBNE existente (
instalación de neutrinos de línea de base larga). Está previsto que el generador de partículas NuMI y un nuevo sensor que contenga 40,000 litros de argón líquido se ubiquen a una distancia de 1300 km uno del otro.
Estos estudios ayudarán a probar la hipótesis de que hay más materia en el universo que la antimateria. Además de estudiar neutrinos, el experimento se propone la tarea de buscar la descomposición de protones en varios modos de descomposición importantes. Incluso si los datos de la investigación no coinciden con las expectativas de los científicos, serán útiles, ya que eliminarán las muchas hipótesis ahora propuestas.
Daya Bay
Daya Bay es un experimento para estudiar las oscilaciones de neutrinos (un efecto causado por un cambio en el tipo (o sabor) de neutrinos a medida que se mueven de la fuente al detector), realizado en China. La instalación, ubicada en tres salas subterráneas, consta de ocho detectores de
centelleo líquido antineutrino, cada uno de los cuales contiene 20 toneladas de
centelleador líquido. La fuente del antineutrino son seis reactores nucleares (cada uno con una potencia térmica de aproximadamente 3 GW) ubicados a distancias de ~ 500 a ~ 1800 metros de los detectores. Los científicos de Daya Bay están tratando de descubrir dos parámetros clave de la física de los neutrinos: el "ángulo de mezcla de neutrinos" y la "diferencia de los cuadrados de las masas de neutrinos".
Detección de materia oscura
¿Qué es la materia oscura? Nadie lo sabe todavía. Hay mucha materia oscura en el Universo, una sustancia que no registramos directamente en ningún rango del espectro electromagnético, pero que se "reúne" en las galaxias y sus cúmulos. Este asunto debe consistir en partículas de un nuevo tipo, que no tienen lugar en el Modelo Estándar.
Hay muchos experimentos en los que se busca evidencia directa de la existencia de materia oscura. La dificultad es que todos apuntan a cosas diferentes.
Detector LUX.Se suponía que un detector muy sensible, llamado LUX (Large Underground Xenon), ayudaría a eliminar la confusión, pero como resultado agregó aún
más secretos . LUX está ubicado en una mina de oro abandonada en Dakota del Sur. La instalación se lanzó a mediados de 2013, y desde entonces no ha encontrado partículas de materia oscura.
El próximo detector LZ ultrasensible ya se está preparando para reemplazar LUX. Al mismo tiempo, la colaboración de DARWIN está preparando un detector de xenón de 25 toneladas; en comparación, en LUX solo hay 370 kg de xenón.
El problema es que los científicos no tienen consenso sobre cómo buscar la materia oscura. Hay varios proyectos, y nadie puede predecir cuál dará un efecto positivo. Pero cada proyecto consume una gran cantidad de recursos de la comunidad científica.
Observación de energía oscura
Según las observaciones del Observatorio Espacial de Planck, la energía de masa total del Universo observable consiste en 68.3% de la energía oscura (26.8% es materia oscura, y todo lo demás es otra cosa). Al mismo tiempo, los físicos aún no saben qué es la energía oscura, cómo causa la expansión del Universo (y si causa). La energía oscura es solo un término condicional para lo que parece un gran misterio cósmico. Pero los científicos no abandonan los intentos de "arrojar luz" sobre este misterio.
El proyecto Dark Energy Survey (DES) estudiará el cielo nocturno hasta 2019. La herramienta principal del DES es una cámara de 570 megapíxeles (una de las más potentes del mundo), integrada en el cuerpo del telescopio de cuatro metros
Victor M. Blanco , ubicado en los Andes chilenos. El sistema óptico de la cámara consta de cinco lentes de una forma estrictamente definida. El diámetro del mayor de ellos es de 90 centímetros.
El DES puede capturar la luz que emana de cientos de miles de estrellas a 8 mil millones de años luz de distancia de la Tierra. Sin embargo, no puede ver la energía en sí misma, si hace un mapa completo de la distribución de la materia oscura, los científicos podrán medir qué tan rápido ocurre el desplazamiento relativo de estas masas de materia oscura. Estos datos ayudarán a comprender mejor la energía responsable de la expansión del universo.
Por supuesto, la materia oscura en sí misma también es invisible, pero su presencia puede ser detectada por las distorsiones gravitacionales de la luz de objetos astronómicos distantes. Los astrofísicos están buscando un tipo definido de distorsión en las imágenes digitales recibidas con DES, las llamadas lentes gravitacionales.
Al comparar el grado de convergencia de las masas de materia oscura que conocemos en las diversas etapas del desarrollo del Universo en función del análisis de imágenes de objetos astronómicos a diferentes distancias de nosotros, los cosmólogos podrán evaluar la velocidad y la dinámica de la expansión. Y esto, a su vez, puede dar una respuesta sobre la naturaleza de la energía oscura, o puede probar el fracaso completo de la teoría.
Observatorio NEPTUNO
Este experimento concierne a otro cosmos que está a nuestros pies. Los océanos cubren casi tres cuartos de la superficie de la Tierra y contienen el 90% de toda la vida, pero están poco estudiados. El Observatorio Oceánico NEPTUNE (el Experimento en Red Subacuática de la Serie del Tiempo del Pacífico Nordeste) consta de cientos de kilómetros de cables y 130 instrumentos con 400 sensores, y lleva a cabo el primer monitoreo a gran escala del sistema oceánico durante todo el día.
Los sensores de Neptuno recopilan análisis químicos y físicos para determinar cómo cambian los datos oceanográficos con el tiempo. Los hidrófonos ubicados en el fondo marino registran delfines y ballenas para rastrear su abundancia y rutas de migración. Existen sistemas de reconocimiento de tsunamis para estudios sísmicos y sensores que miden la cantidad de gases de efecto invernadero en el ecosistema oceánico. Un robot controlado a distancia viaja a lo largo del fondo del mar para controlar los depósitos de metano bajo el agua.
NIF e ITER
National Ignition Facility (NIF): un complejo científico para la implementación de la fusión termonuclear inercial (ICF) con láser. La construcción tomó 12 años y alrededor de $ 4 mil millones. El complejo consta de 192 láseres de alta potencia, cuyos pulsos, después de la amplificación de múltiples etapas, se envían simultáneamente a un objetivo milimétrico con combustible termonuclear. La potencia del láser es de 500 TW. La temperatura del objetivo alcanzará decenas de millones de grados, mientras que se reducirá 1000 veces, como resultado, la presión en el interior será como en el núcleo del gigante gaseoso.
Cuando 192 haces individuales convergen en un objetivo que contiene átomos de deuterio (hidrógeno con un neutrón) y tritio (hidrógeno con dos neutrones), los núcleos de los átomos se fusionan y crean una explosión de energía. En 2013, se encendió una reacción termonuclear en la instalación, durante la cual, por primera vez en el mundo, la energía liberada durante la reacción excedió la energía absorbida por el objetivo.
Sitio de construcción gigante del complejo ITER con una superficie de 180 hectáreas.El proyecto que eclipsa a NIF es el ITER (Reactor Termonuclear Experimental Internacional), el reactor de fusión más grande del mundo que pesa 23,000 toneladas, que es para probar los beneficios comerciales del uso de energía termonuclear. De hecho, ITER ha estado en construcción durante diez años, y el desarrollo conceptual del reactor de fusión se completó en 1989.
Están trabajando en el reactor en todo el mundo: Rusia, India, Japón, China, Corea del Sur y Estados Unidos, así como en toda la Unión Europea. Lo que no es sorprendente dado el presupuesto: 19 mil millones de euros. Este es uno de los experimentos más caros en la historia de la humanidad (en comparación, el LHC costó "solo" 4.400 millones de dólares).
El proyecto, en el que la mezcla de deuterio-tritio debe calentarse a una temperatura de más de cien millones de grados centígrados, no se lanzará hasta 2025. Si todo va bien, la humanidad recibirá la alternativa más prometedora al petróleo y al gas.