Pour mieux comprendre notre univers et déterminer le rôle de l'homme dans celui-ci, les scientifiques créent des outils de plus en plus ambitieux et conduisent des expériences à grande échelle. La science a depuis longtemps franchi la ligne au-delà de laquelle les efforts de génies uniques menant des expériences dans leurs laboratoires privés font défaut. Les grandes sciences nécessitent désormais des recherches coûteuses, soutenues pendant des années par des groupes de recherche de nombreux pays.
Plus les expériences sont grandes, plus les découvertes impressionnantes nous attendent. Comment déterminer l'échelle? Pour ce faire, il suffit de connaître le montant des coûts de construction, le nombre de personnel et les dimensions physiques du projet lui-même. Nous n'oublierons pas l'utilité scientifique du projet du point de vue d'une personne ordinaire.
RÉSERVOIR
L'accélérateur le plus puissant de la Terre a achevé le premier cycle de ses travaux en février 2013, après avoir terminé sa tâche principale, il a trouvé le boson de Higgs. Les scientifiques ont découvert le dernier fragment manquant des interactions de toutes les particules et forces connues dans le modèle standard.
Cependant, les physiciens ont été déçus. Beaucoup espéraient que la particule de Higgs ne serait pas ce que la théorie avait prédit, ou que l'hypothèse de l'existence d'un boson serait complètement fausse. À tout le moins, les scientifiques espéraient que les propriétés du boson de Higgs seraient différentes de celles prédites par le modèle standard, de sorte que les scientifiques continueraient à créer une nouvelle physique.
Des écarts par rapport au modèle standard (une théorie en physique des particules élémentaires qui décrit les interactions électromagnétiques, faibles et fortes de toutes les particules élémentaires) aideraient à trouver d'autres particules intéressantes, pour prouver l'existence de particules supersymétriques - des particules partenaires pour tout l'Univers. Par exemple, pour un photon - photino, pour un quark - squark, pour Higgs - Higgsino, et ainsi de suite.
Au lieu de cela, nous avons commencé à douter de toutes les théories supersymétriques. Il est possible que des centaines de physiciens du monde entier aient dépensé pendant des décennies leurs ressources à chercher ce qui ne l'est pas.
Au cours des prochaines années, les expérimentateurs collecteront de nouvelles données qui aideront à répondre aux questions sur la matière noire, l'énergie sombre, les propriétés des neutrinos, la nature du boson de Higgs et, peut-être, à quoi ressemblera la prochaine ère en physique.
Le 23 mai, les premières collisions de protons en 2017 ont eu lieu dans le Grand collisionneur de hadrons. L'étalonnage des détecteurs et des milliers de sous-systèmes est terminé. D'ici la fin de 2017, le collisionneur devrait doubler le volume des statistiques de collision à une énergie de 13 téra-électron-volts.
HL-LHC et ILC
Concept ILC.D'ici 2020, le Centre européen de recherche nucléaire (CERN) prévoit de moderniser le LHC. «LHC à haute luminosité» (LHC à haute luminosité) est le nom du projet de modernisation à venir, grâce auquel la luminosité de l'appareil augmentera 10 fois. Luminosité - une méthode de mesure des performances d'un accélérateur, caractérisant l'intensité de la collision des particules de deux faisceaux venant en sens inverse. Plus la luminosité est élevée, plus les données peuvent être collectées pendant l'expérience.
En conséquence, les protons entreront en collision à des énergies allant jusqu'à 30 TeV ou même plus, ce qui entraînera encore plus de collisions et une augmentation du nombre de particules. Cependant, dans ces conditions, le travail des physiciens ne fera que se compliquer - seuls des phénomènes extrêmement rares devront être identifiés à partir de la masse des événements. Il y aura de nouvelles versions de détecteurs - superCMS et superATLAS.
En plus de la recherche au LHC, il est prévu d'étendre les travaux scientifiques grâce au collisionneur linéaire international (ILC), qui dépassera le LHC lui-même. Le collisionneur électron-positon sera composé de deux accélérateurs linéaires de 12 km chacun. La longueur totale de l'installation est estimée à 31 km. Par la suite, l'accélérateur peut être complété par de nouvelles sections, ce qui augmentera la longueur de l'installation à 50 km.
L'ILC sera en mesure de créer un grand nombre de bosons de Higgs, ce qui permettra aux scientifiques d'étudier avec précision les propriétés de la particule. Il pourrait également identifier des événements anormaux qui permettraient d'étudier des théories exotiques en dehors du modèle standard.
Comme alternative, un collisionneur électron-positon en anneau est envisagé, ce qui pourrait devenir une véritable usine de «production» de bosons de Higgs. En luminosité dans la région jusqu'à 200 GeV, les collisionneurs cycliques sont supérieurs aux linéaires. La plage d'énergie du nouveau collisionneur est de 45 GeV à 175 GeV, ce qui nous permet d'étudier en détail les propriétés des bosons et des quarks Z, W, Higgs. De plus, le coût du projet est inférieur à celui de l'ILC.
En 2020, le CERN prévoit de décider de la construction d'un "collisionneur du futur", en choisissant parmi deux options prometteuses.
Mystérieux neutrinos
Le réseau de détecteurs GERmanium (GERDA) recherche les neutrinos en surveillant l'activité électrique à l'intérieur de cristaux de germanium purs isolés profondément sous une montagne en Italie. Les scientifiques qui travaillent avec GERDA espèrent découvrir une forme très rare de désintégration radioactive.Le neutrino est l'une des particules les plus mystérieuses de l'univers. Il a une masse minuscule - le prix Nobel de physique en 2016 a été décerné pour le fait même de "la découverte d'oscillations de neutrinos montrant que les neutrinos ont une masse". Les neutrinos n'interagissent presque jamais avec la matière - environ 6 × 10
10 neutrinos émis par le Soleil passent chaque seconde à travers la surface de la terre d'une superficie de 1 cm².
Les physiciens tentent actuellement de découvrir certaines propriétés des neutrinos qui restent en question. Les scientifiques savent que le modèle standard est déjà violé, en partie parce que les neutrinos ont une masse, tandis que le modèle standard dit qu'ils ne devraient pas avoir de masse.
Des expériences de double désintégration bêta pourraient expliquer pourquoi l'univers est composé de matière. Le modèle standard prévoit qu'après le Big Bang, la matière et l'antimatière auraient dû être créées dans des proportions égales. Mais puisque ces deux formes conflictuelles de matière s'anéantissent, l'univers ne devrait être composé de rien.
La désintégration bêta se produit lorsqu'un neutron (une particule neutre dans un noyau atomique) se transforme spontanément en proton et en électron, émettant un antineutrino. Le processus peut également avoir un chemin légèrement différent: le neutron absorbe le neutrino et se transforme en proton et en électron. La double désintégration bêta serait une situation extrêmement rare dans laquelle l'antineutrino apparaissant dans le premier cas est absorbé par le neutron dans le second.
Une telle chose ne peut se produire que lorsque le neutrino et l'antineutrino sont fondamentalement les mêmes: c'est-à-dire si le neutrino est sa propre antiparticule. Personne ne sait si c'est le cas, mais si c'est le cas, alors avec les premières désintégrations des neutrinos, l'Univers aurait créé un peu plus de particules de matière que d'antimatière.
NOVA, T2K et DUNE
Détecteur NOνA, Fermilab.Le projet NOVA (NuMI Off-Axis νe Appearance) a réuni plusieurs centaines de scientifiques et ingénieurs de 40 instituts de huit pays. De Russie, l'Institut de recherche nucléaire RAS (INR RAS) et l'Institut de physique du nom de P.N. Lebedeva (LPI) et le Joint Institute for Nuclear Research de Dubna.
Le projet utilise un faisceau de neutrinos provenant d'un générateur NuMI (neutrinos sur l'injecteur principal). Pour mettre en œuvre l'expérience NOvA, deux laboratoires ont été construits à 800 kilomètres de la source de neutrinos. Le flux de neutrinos, sortant des entrailles du générateur NuMI, traverse les strates de la terre et pénètre dans d'énormes capteurs situés des deux côtés de la trajectoire de mouvement des particules. Une expérience similaire au Japon, appelée T2K, envoie des neutrinos sur 295 kilomètres de la surface de la Terre.
L'un des capteurs de neutrinos du projet NOVA: 14,3 mètres de long, 4,2 mètres de haut, 2,9 mètres de large. Et le plus grand pèse 14 mille tonnes: sa longueur est de 78 m, sa hauteur de 15,6 m, sa largeur de 15,6 m - c'est la plus grande structure en plastique sur Terre.Cependant, NOνA n'est pas la limite. Maintenant, l'expérience DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) est en cours de préparation sur la base du complexe d'accélérateurs du Fermilab (Laboratoire national de Fermi, NOVA passe ici) et du détecteur de neutrinos
LBNE existant (Long-Baseline Neutrino Facility). Il est prévu que le générateur de particules NuMI et un nouveau capteur contenant 40 000 litres d'argon liquide seront situés à une distance de 1 300 km l'un de l'autre.
Ces études permettront de vérifier l'hypothèse qu'il y a plus de matière dans l'univers que d'antimatière. En plus d'étudier les neutrinos, l'expérience se donne pour tâche de rechercher la désintégration du proton dans plusieurs modes de désintégration importants. Même si les données de recherche ne coïncident pas avec les attentes des scientifiques, elles seront utiles, car elles élimineront les nombreuses hypothèses actuellement proposées.
Baie de Daya
Daya Bay est une expérience pour étudier les oscillations des neutrinos (un effet provoqué par un changement dans le type (ou la saveur) des neutrinos lorsqu'ils se déplacent de la source au détecteur), menée en Chine. L'installation, située dans trois salles souterraines, se compose de huit détecteurs à
scintillation liquide antineutrino, chacun contenant 20 tonnes de
scintillateur liquide. La source de l'antineutrino est constituée de six réacteurs nucléaires (chacun d'une puissance thermique d'environ 3 GW) situés à des distances de ~ 500 à ~ 1800 mètres des détecteurs. Les scientifiques de Daya Bay tentent de découvrir deux paramètres clés de la physique des neutrinos - "l'angle de mélange des neutrinos" et la "différence des carrés des masses de neutrinos".
Détection de matière noire
Qu'est-ce que la matière noire? Personne ne le sait encore. Il y a beaucoup de matière noire dans l'Univers - une substance que nous n'inscrivons pas directement dans aucune gamme du spectre électromagnétique, mais qui «se rassemble» dans les galaxies et leurs amas. Cette matière doit être constituée de particules d'un nouveau type, qui n'ont pas leur place dans le modèle standard.
Il existe de nombreuses expériences dans lesquelles des preuves directes de l'existence de la matière noire sont recherchées. La difficulté est qu'ils indiquent tous des choses différentes.
Détecteur LUX.Un détecteur très sensible, appelé LUX (Large Underground Xenon), était censé aider à éliminer la confusion, mais a donc ajouté encore
plus de secrets . LUX est situé dans une mine d'or abandonnée dans le Dakota du Sud. L'installation a été lancée mi-2013 et n'a depuis lors pas trouvé de particules de matière noire.
Le prochain détecteur LZ ultra-sensible est déjà en préparation pour remplacer LUX. Dans le même temps, la collaboration DARWIN prépare un détecteur au xénon de 25 tonnes - à titre de comparaison, au LUX, il n'y a que 370 kg de xénon.
Le problème est que les scientifiques n'ont pas de consensus sur la façon de rechercher la matière noire. Il existe différents projets, et personne ne peut prédire lequel donnera un effet positif. Mais chaque projet consomme une énorme quantité de ressources de la communauté scientifique.
Observation de l'énergie sombre
Selon les observations de l'Observatoire spatial Planck, la masse-énergie totale de l'Univers observable se compose de 68,3% d'énergie sombre (26,8% est de la matière noire, et tout le reste est autre chose). Dans le même temps, les physiciens ne savent toujours pas ce qu'est l'énergie sombre, comment elle provoque l'expansion de l'Univers (et si elle provoque). L'énergie sombre n'est qu'un terme conditionnel pour ce qui semble être un très grand mystère cosmique. Mais les scientifiques n'abandonnent pas les tentatives de «faire la lumière» sur ce mystère.
Le projet Dark Energy Survey (DES) étudiera le ciel nocturne jusqu'en 2019. L'outil principal de DES est un appareil photo de 570 mégapixels (l'un des plus puissants au monde), intégré dans le corps du télescope de quatre mètres
Victor M. Blanco , situé dans les Andes chiliennes. Le système optique de la caméra se compose de cinq lentilles d'une forme strictement définie. Le diamètre du plus grand d'entre eux est de 90 centimètres.
Le DES peut capturer la lumière émanant de centaines de milliers d'étoiles à 8 milliards d'années-lumière de la Terre. Vous ne pouvez pas voir l'énergie elle-même, cependant, si vous faites une carte complète de la distribution de la matière noire, les scientifiques seront en mesure de mesurer la vitesse à laquelle le déplacement relatif de ces masses de matière noire se produit. Ces données permettront de mieux comprendre l'énergie responsable de l'expansion de l'univers.
Bien sûr, la matière noire elle-même est également invisible, mais sa présence peut être détectée par les distorsions gravitationnelles de la lumière des objets astronomiques éloignés. Les astrophysiciens recherchent un type précis de distorsion sur les images numériques reçues avec DES - les lentilles dites gravitationnelles.
En comparant le degré de convergence des masses de matière noire que nous connaissons à différentes étapes du développement de l'Univers sur la base de l'analyse d'images d'objets astronomiques à différentes distances de nous, les cosmologistes pourront évaluer la vitesse et la dynamique de l'expansion. Et cela, à son tour, peut donner une réponse sur la nature de l'énergie sombre, ou cela peut prouver l'échec complet de la théorie.
Observatoire de NEPTUNE
Cette expérience concerne un autre cosmos qui est à nos pieds. Les océans couvrent près des trois quarts de la surface de la Terre et contiennent 90% de toute la vie, mais ils sont mal étudiés. L'Observatoire océanique NEPTUNE (l'expérience en réseau sous-marin de la série chronologique du Pacifique Nord-Est) se compose de centaines de kilomètres de câbles et de 130 instruments avec 400 capteurs, et effectue la première surveillance à grande échelle 24 heures sur 24 du système océanique.
Les capteurs Neptune collectent des analyses chimiques et physiques pour déterminer comment les données océanographiques changent au fil du temps. Les hydrophones situés sur le fond marin enregistrent des dauphins et des baleines pour suivre leur abondance et leurs voies de migration. Il existe des systèmes de reconnaissance des tsunamis pour les levés sismiques et des capteurs qui mesurent la quantité de gaz à effet de serre dans l'écosystème océanique. Un robot télécommandé parcourt les fonds marins pour contrôler les dépôts de méthane sous l'eau.
NIF et ITER
National Ignition Facility (NIF) - un complexe scientifique pour la mise en œuvre de la fusion thermonucléaire inertielle (ICF) à l'aide de lasers. La construction a duré 12 ans et environ 4 milliards de dollars. Le complexe se compose de 192 lasers haute puissance, dont les impulsions, après une amplification à plusieurs étages, sont simultanément envoyées à une cible millimétrique avec du combustible thermonucléaire. La puissance du laser est de 500 TW. La température de la cible atteindra des dizaines de millions de degrés, tandis qu'elle diminuera 1000 fois - en conséquence, la pression à l'intérieur sera comme dans le cœur de la géante gazeuse.
Lorsque 192 faisceaux individuels convergent sur une cible contenant des atomes de deutérium (hydrogène avec un neutron) et de tritium (hydrogène avec deux neutrons), les noyaux des atomes fusionnent et créent une explosion d'énergie. En 2013, une réaction thermonucléaire a été déclenchée dans l'installation, au cours de laquelle pour la première fois dans le monde l'énergie libérée lors de la réaction a dépassé l'énergie absorbée par la cible.
Chantier de construction géant du complexe ITER d'une superficie de 180 hectares.Le projet qui éclipse le NIF est ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), le plus grand réacteur à fusion au monde pesant 23 000 tonnes, qui doit prouver les avantages commerciaux de l'utilisation de l'énergie thermonucléaire. En fait, ITER est en construction depuis dix ans et le développement conceptuel du réacteur à fusion a été achevé en 1989.
Ils travaillent sur le réacteur dans le monde entier - Russie, Inde, Japon, Chine, Corée du Sud et États-Unis, ainsi que toute l'Union européenne. Ce qui n'est pas surprenant compte tenu du budget - 19 milliards d'euros. Il s'agit de l'une des expériences les plus coûteuses de l'histoire de l'humanité (à titre de comparaison, le LHC n'a coûté "que" 4,4 milliards de dollars).
Le projet, dans lequel le mélange deutérium-tritium devrait être chauffé à une température de plus de cent millions de degrés Celsius, ne sera lancé qu'en 2025. Si tout se passe bien, l'humanité recevra l'alternative la plus prometteuse au pétrole et au gaz.