7 percobaan besar yang masih belum menemukan yang diinginkan

Detektor neutrino Super Kamiokande

Ilmuwan eksperimental sering merupakan profesi yang tidak tahu berterima kasih. Anda membaca berita tentang eksperimen yang berakhir dengan penemuan hebat, tetapi sedikit yang pernah mendengar tentang upaya, seringkali heroik, oleh para peneliti yang belum menemukan atau mengamati untuk apa mereka dibuat.

Beberapa upaya telah berlangsung selama beberapa dekade dan melihat perubahan generasi orang, pertimbangkan jam kerja dan pengalaman mereka. Namun, ketiadaan hasil terkadang memiliki makna ilmiah yang sama dengan penemuan yang diiklankan: kita belajar tentang apa yang bukan dunia nyata, atau tentang apa yang tidak ada di dalamnya. Di sisi lain, menerima semacam respons positif dari salah satu eksperimen ini akan memiliki konsekuensi luas bagi pemahaman kita tentang Semesta dan tempat kita di dalamnya.

Kami menawarkan kepada Anda daftar tujuh percobaan yang sedang berlangsung, yang belum menemukan yang diinginkan. Mereka semua luar biasa dalam kejeniusan dan ambisius mereka. Tidak mengherankan bahwa mereka berusaha untuk terus dan mendukung mereka.

Untuk menjelaskan materi gelap, kubur sebuah tangki xenon cair di tanah

Para ilmuwan telah mengemukakan teori bahwa filamen materi gelap membentuk kerangka tertentu di mana semua galaksi yang kita lihat dipegang. Masing-masing dikelilingi oleh lingkaran gelap materi, memberikan gravitasi tambahan yang menjelaskan bagaimana bintang berputar di sekitar pusat galaksi. Tetapi kami belum menemukan materi gelap secara langsung. Meskipun banyak upaya telah dilakukan selama beberapa dekade terakhir untuk mendeteksi materi gelap melalui interaksi yang sangat lemah dengan materi biasa, semuanya gagal.

Di antara berbagai bentuk yang bisa diambil materi gelap, yang disebut partikel masif berinteraksi lemah (Weimly Interacting Massive Particles, WIMPs) merupakan salah satu peluang paling menarik bagi para spesialis dalam fisika partikel. Eksperimen LUX , yang terletak lebih dari satu kilometer di bawah tanah di bekas tambang di South Dakota, membantu meningkatkan standar kegagalan mendeteksi WIMP yang sangat tinggi. Peralatan itu adalah reservoir dengan 72.000 ton air dengan kemurnian tinggi yang menyaring sinar kosmik palsu. Di dalamnya ada sepertiga ton xenon cair, dikelilingi oleh sensor yang cukup sensitif untuk mendeteksi cahaya yang dipancarkan sebagai akibat tabrakan materi gelap dengan atom xenon.

Kegagalan LUX untuk mendeteksi jejak materi gelap menyebabkan peningkatan LUX-Zeplin - ke sebuah eksperimen di mana hampir 20 kali lebih banyak xenon cair digunakan daripada di LUX. Akankah percobaan baru menemukan sesuatu di mana LUX tidak bisa melakukan ini? Waktu akan memberi tahu. Tampaknya, alam suka mengejek harapan dan harapan para ilmuwan.

Untuk benar-benar melihat gelombang gravitasi yang tersisa dari Big Bang, pelajari frekuensi yang berbeda

Gelombang gravitasi (analog gravitasi dari radiasi elektromagnetik, atau cahaya) sejak Big Bang seharusnya meninggalkan tanda unik dalam radiasi relik yang diamati oleh kita di semua arah dan tertinggal setelah ledakan yang menciptakan Alam Semesta yang dapat diamati. Ini menunjukkan fluktuasi kecil dalam suhu dan polarisasi, memberikan kita foto medan gravitasi pada saat yang sama - ketika alam semesta berusia 379.000 tahun - ketika atom hidrogen netral pertama terbentuk. Jejak ini harus berupa gambar polarisasi berputar, istilah teknisnya adalah B-mode .

Kegembiraan yang disebabkan oleh pengumuman penemuan B-mod yang dibuat pada tahun 2014 oleh BICEP / Keck ternyata terlalu dini. Apa yang tampak sebagai gelombang gravitasi primer ternyata adalah partikel debu terpolarisasi pada lintang tinggi, mampu mensimulasikan gambar polarisasi berputar yang sama dengan yang harus diperlihatkan oleh gelombang gravitasi.

Meskipun demikian, kelompok BICEP telah diperbarui ke konfigurasi BICEP3 , yang terdiri dari array 2500 sensor (bolometer) yang dirancang untuk memantau radiasi peninggalan pada frekuensi yang jauh lebih rendah daripada versi sebelumnya. Pengamatan sepuluh tahun menggunakan versi berbeda dari teleskop BICEP tidak mengarah pada penemuan B-mode gelombang gravitasi primer, tetapi pencarian tidak akan berhenti - kompetisi untuk mendeteksi mereka terlebih dahulu hanya pemanasan.

Untuk mencari tahu apakah interaksi nuklir dan elektroweak yang kuat bergabung, carilah "pop supersonik" dalam cahaya

Model standar fisika partikel adalah puncak dari dekade interaksi antara teori dan eksperimen, dari lahirnya mekanika kuantum hingga asumsi bahwa interaksi nuklir lemah (bertanggung jawab atas jenis peluruhan radioaktif tertentu) dan elektromagnetisme adalah aspek yang berbeda dari satu interaksi "electroweak". Interaksi elektromagnetik dan lemah hanya bagi kita berbeda pada skala percobaan laboratorium yang khas, karena medan Higgs - yang memberikan massa pada partikel yang berinteraksi dengannya - menyembunyikan simetri yang melekat dalam dua interaksi ini.

Dalam model standar, ada satu lagi, interaksi nuklir kuat, yang harus digabungkan dengan bunyi elektromagnetik satu triliun kali lebih tinggi daripada yang dapat kita capai di CERN, dalam "Unifikasi Hebat". Salah satu ramalannya adalah bahwa proton tidak lagi stabil dan dapat membusuk menjadi partikel-partikel lain - pion dan positron - walaupun jarang cukup, sehingga waktu paruh dapat lebih dari seratus triliun triliun kali lipat dari usia alam semesta saat ini.

Super Kamiokande - dan rencana peningkatan, Hyper Kamiokande - terletak satu kilometer di bawah gunung di laboratorium Kamioka di Jepang tengah. Eksperimen ini terlihat, antara lain, untuk tanda-tanda peluruhan proton yang sangat langka dalam ukuran tangki air ultra murni yang tidak realistis. Memindai ruang untuk mencari kilatan cahaya redup, yang dikenal sebagai radiasi Cherenkov - setara optik pop supersonik - Super Kamiokande mencari partikel dengan energi tinggi ke mana proton meluruh.


Radiasi Cherenkov pada inti reaktor uji lanjutan di Idaho National Laboratory

Sejauh ini tidak ada yang ditemukan. Tapi Hyper-Kamiokande, yang sensitivitasnya direncanakan akan 10 kali lebih besar, harus memulai pengamatan di tahun 2020.

Untuk memeriksa supersimetri, selidiki neutron

Model standar fisika partikel memprediksi bahwa neutron - yang, bersama dengan proton, membentuk isi inti atom - memiliki momen dipol listrik yang sangat kecil (EDM), jarak tetap yang memisahkan dua muatan berlawanan. Itu karena ukurannya yang kecil, kemungkinan besar, itu belum ditemukan. Tetapi teori-teori yang melengkapi Model Standar dengan supersimetri - ekuivalen hipotetis interaksi dan materi - biasanya memprediksi EDM, 100.000 kali lebih besar dari prediksi SM.

Dengan memperkenalkan batasan pada besarnya EDM neutron, orang dapat memeriksa apakah supersimetri hadir di alam dengan metode yang lebih ketat daripada yang bisa dicapai dengan mempercepat partikel dalam colliders. Eksperimen CryoEDM hanya mencoba melakukan ini di Laue Langevin Institute di Grenoble, Prancis. Mengamati perbedaan presesi putaran neutron yang sangat lambat - yaitu, dalam mengubah orientasi sumbu rotasi - di hadapan medan magnet dan listrik, Anda dapat secara akurat mengukur EDM neutron, jika ada, karena kecepatan presesi tergantung pada keberadaannya.

Pada saat CryoEDM mencapai sensitivitas yang dihitung, itu akan dapat mengecualikan atau mengkonfirmasi keberadaan supersimetri. Pengamatan EDM akan menjadi bukti menggoda dari keberadaan supersimetri di alam, karena nilai yang diprediksi oleh Model Standar terlalu kecil untuk dideteksi dengan sensitivitas percobaan saat ini.

Lihatlah gravitasi untuk melihat dimensi ekstra.

Jika ada dimensi tambahan, mereka dapat memengaruhi operasi gravitasi pada jarak yang sangat kecil. Mereka tidak hanya menyiratkan penyimpangan dari hukum lazim dari kuadrat gravitasi Newton, tetapi juga menyiratkan adanya kekuatan baru yang bekerja pada jarak pendek yang sebanding dengan gravitasi, melanggar apa yang disebut prinsip kesetaraan. Prinsip ini mendalilkan bahwa semua materi - bola meriam, apel - jatuh secara merata dalam medan gravitasi tertentu. Dan fitur dari dimensi ekstra adalah bahwa bidang yang mengontrol ukuran dimensi ekstra meniru gravitasi, tetapi hanya pada jarak yang sangat pendek, dan pada saat yang sama mereka bertindak berbeda pada berbagai jenis materi.


Para ilmuwan telah menyarankan bahwa pengukuran tambahan dapat mengambil bentuk manifold Calabi-Yau 6 dimensi, yang mengarah pada gagasan simetri cermin.

Meskipun teori relativitas umum Einstein telah diuji secara ketat pada skala dari tata surya ke alam semesta, para peneliti baru saja mulai mengujinya pada skala submillimeter.

Dengan menggunakan skala torsi yang dikalibrasi secara akurat, grup kolaborasi Eöt-Wash (dinamai Baron von Eötvös, yang melakukan eksperimen semacam itu pada awal abad kedua puluh dan kota Washington) dari Universitas Washington sedang mencari pelanggaran prinsip kesetaraan - selain penyimpangan dari undang-undang. kuadrat terbalik - pada skala mendekati 100.000 meter. Sejauh ini, tidak ada modifikasi yang ditemukan untuk hukum Newton atau prinsip kesetaraan, yang menunjukkan bahwa jika pengukuran tambahan ada, mereka berada dalam keadaan terlipat jauh lebih sedikit dari beberapa persepuluh mikron.

Untuk mengamati "abad kegelapan" kosmologis, dengarkan sinyal radio yang lemah

Ada suatu era dalam sejarah Semesta yang relatif sedikit yang diketahui - inilah yang disebut abad kelam. Ini adalah era setelah rekombinasi, setelah atom hidrogen netral pertama terbentuk, dan sebelum bintang-bintang pertama mulai bersinar.

Atom hidrogen itu sendiri tidak memancarkan sesuatu yang istimewa. Tetapi, seperti sebuah planet yang mengorbit di sekitar Matahari, juga berputar di sekitar porosnya, satu elektron yang mengorbit inti hidrogen "berputar" di sekitar porosnya, yang diarahkan dalam arah yang sama atau berlawanan relatif terhadap gerakan orbitnya. Dalam kasus terakhir, ia memiliki lebih sedikit energi.

Sebagian kecil hidrogen netral, diterangi oleh radiasi peninggalan kembali di zaman kegelapan, bersemangat dan berubah menjadi keadaan dengan energi lebih tinggi dan directivity yang sama. Dan setelah transisi atom-atom tereksitasi ke keadaan energi rendah dengan konfigurasi multi arah, mereka memancarkan sinyal pada frekuensi 1,4 GHz, yang sesuai dengan sinyal radio yang sangat lemah dengan panjang gelombang 21 cm. Deteksi radiasi latar 21 cm akan memungkinkan kita untuk melihat ke zaman kegelapan .

Low Frequency Array ( LOFAR ) adalah susunan 20.000 antena fase yang terletak di Eropa (sebagian besar Belanda), mengintip ke ruang angkasa sejak 2012 dengan harapan mendeteksi sinyal lemah ini. Tetapi Bumi dan Galaksi tempat ia berada adalah tempat yang sangat bising, dan sejauh ini kami belum dapat mendeteksi sinyal dari zaman kegelapan yang mengatasi kebisingan lokal. Rencana ambisius sedang dilakukan untuk menciptakan larik internasional Square Kilometer Array ( SKA ), tetapi sejauh ini zaman kegelapan tetap gelap.

Untuk menemukan alien, jangan berhenti mendengarkan

Penemuan bukti yang meyakinkan tentang keberadaan kehidupan cerdas yang berbeda di Semesta akan menjadi titik balik dalam kehidupan peradaban kita. Upaya kolektif, yang terdiri dari sejumlah besar percobaan, bertujuan untuk mencari sinyal luar angkasa peradaban cerdas hampir sebanyak radio. Idenya adalah bahwa sinyal radio buatan dapat dibedakan dari sumber alami (astrofisika), karena rentang frekuensi yang sempit dan sifat berulang, seperti halnya dengan siaran radio manusia. Kandidat menggoda untuk sinyal semacam itu ditemukan pada tahun 1977, meskipun belum terlihat sejak saat itu, dan kemungkinan asal usulnya tidak dapat dikesampingkan.


Observatorium Arecibo di Puerto Riko berpartisipasi dalam pencarian intelijen ekstraterestrial

Eksperimen SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) dilakukan menggunakan berbagai teleskop radio, termasuk Antena Array Allen , yang baru-baru ini dilengkapi dengan teknologi yang biasa digunakan untuk mencari exoplanet. Para ilmuwan juga menjebaknya untuk mencari kemungkinan megastruktur alien, yang keberadaannya disarankan oleh ahli fisika Freeman Dyson. Peradaban maju dapat membangun struktur seperti itu untuk secara langsung mengumpulkan energi bintang. Dan terlepas dari kenyataan bahwa selama berpuluh-puluh tahun, tidak ada yang ditemukan, pencarian kolektif untuk intelijen luar angkasa sekarang lebih siap dari sebelumnya. Mereka mengambil langkah-langkah menyangkut keprihatinan Arthur Clark, yang diungkapkan dalam frasa terkenalnya: "Ada dua kemungkinan: apakah kita sendirian di Semesta, atau tidak. Keduanya sama-sama menakutkan. "