Untuk lebih memahami alam semesta kita dan menentukan peran manusia di dalamnya, para ilmuwan menciptakan lebih banyak alat yang lebih ambisius dan melakukan eksperimen skala besar. Ilmu pengetahuan telah lama melewati batas di mana upaya para genius tunggal yang melakukan eksperimen di laboratorium pribadi mereka kurang. Ilmu besar sekarang membutuhkan penelitian yang mahal, didukung selama bertahun-tahun oleh kelompok-kelompok penelitian dari banyak negara.
Semakin besar eksperimen, semakin banyak penemuan yang mengesankan menunggu kita. Bagaimana cara menentukan skala? Untuk melakukan ini, cukup mengetahui jumlah biaya konstruksi, jumlah personel dan dimensi fisik proyek itu sendiri. Kami tidak akan melupakan kegunaan ilmiah proyek dari sudut pandang orang biasa.
TANK
Akselerator paling kuat di Bumi menyelesaikan siklus pertama pekerjaannya pada Februari 2013, setelah menyelesaikan tugas utamanya, ia menemukan bos Higgs. Para ilmuwan telah menemukan fragmen terakhir yang hilang dari interaksi semua partikel dan kekuatan yang diketahui dalam Model Standar.
Namun, fisikawan kecewa. Banyak yang berharap bahwa partikel Higgs tidak akan seperti yang diprediksi teori itu, atau bahwa asumsi keberadaan boson akan sepenuhnya salah. Paling tidak, para ilmuwan berharap bahwa sifat-sifat boson Higgs akan berbeda dari yang diprediksi oleh Model Standar sehingga para ilmuwan akan beralih untuk membuat fisika baru.
Penyimpangan dari Model Standar (teori dalam fisika partikel elementer yang menggambarkan interaksi elektromagnetik, lemah dan kuat dari semua partikel elementer) akan membantu menemukan partikel menarik lainnya, untuk membuktikan keberadaan partikel supersimetrik - partikel mitra untuk seluruh Semesta. Misalnya, untuk foton - fotino, untuk kuark - kuadrat, untuk Higgs - Higgsino, dan sebagainya.
Sebagai gantinya, kami mulai meragukan semua teori supersimetrik. Ada kemungkinan bahwa ratusan fisikawan di seluruh dunia selama beberapa dekade menghabiskan sumber dayanya untuk mencari yang tidak.
Selama beberapa tahun ke depan, para peneliti akan mengumpulkan data baru yang akan membantu menjawab pertanyaan tentang materi gelap, energi gelap, sifat-sifat neutrino, sifat boson Higgs, dan, mungkin, seperti apa era berikutnya dalam fisika.
Pada 23 Mei, tabrakan proton pertama pada tahun 2017 terjadi di Large Hadron Collider. Kalibrasi detektor dan ribuan subsistem telah selesai. Pada akhir 2017, collider diperkirakan akan menggandakan volume statistik tabrakan pada energi 13 tera-elektron-volt.
HL-LHC dan ILC
Konsep ILC.Pada tahun 2020, Pusat Penelitian Nuklir Eropa (CERN) berencana untuk memodernisasi LHC. "LHC di High Luminosity" (High-Luminosity LHC) adalah nama proyek modernisasi yang akan datang, berkat itu luminositas perangkat akan meningkat 10 kali lipat. Luminosity - sebuah metode untuk mengukur kinerja akselerator, mengkarakterisasi intensitas tumbukan partikel dari dua balok yang akan datang. Semakin tinggi luminositas, semakin banyak data yang dapat dikumpulkan selama percobaan.
Akibatnya, proton akan bertabrakan pada energi hingga 30 TeV atau bahkan lebih tinggi, yang akan mengarah pada lebih banyak tabrakan dan peningkatan jumlah partikel. Namun, di bawah kondisi ini, pekerjaan fisikawan hanya akan menjadi lebih rumit - hanya fenomena yang sangat langka yang perlu diidentifikasi dari massa peristiwa. Akan ada versi baru dari detektor - superCMS dan superATLAS.
Selain penelitian di LHC, direncanakan untuk memperluas karya ilmiah karena International Linear Collider (ILC), yang akan melampaui LHC itu sendiri. Penumbuk elektron-positron akan terdiri dari dua akselerator linier, masing-masing sepanjang 12 km. Total panjang instalasi diperkirakan 31 km. Selanjutnya, akselerator dapat dilengkapi dengan bagian-bagian baru, sehingga panjang instalasi akan meningkat menjadi 50 km.
ILC akan dapat membuat sejumlah besar boson Higgs, yang memungkinkan para ilmuwan untuk secara akurat mempelajari sifat-sifat partikel. Dia juga bisa mengidentifikasi peristiwa abnormal yang akan memungkinkan penyelidikan teori eksotis di luar Model Standar.
Sebagai alternatif, collider electron-positron ring dipertimbangkan, yang bisa menjadi pabrik nyata untuk "produksi" boson Higgs. Dalam luminositas di wilayah hingga 200 GeV, collider siklik lebih unggul daripada yang linear. Kisaran energi collider baru adalah dari 45 GeV hingga 175 GeV, yang memungkinkan kita untuk mempelajari secara terperinci sifat-sifat Z-, W-, boson Higgs, dan t-quark. Selain itu, biaya proyek lebih rendah daripada ILC.
Pada tahun 2020, CERN berencana untuk memutuskan pembangunan "collider of the future", memilih dari dua opsi yang menjanjikan.
Neutrino misterius
GERmanium Detector Array (GERDA) mencari neutrino dengan memantau aktivitas listrik di dalam kristal germanium murni yang terisolasi jauh di bawah gunung di Italia. Para ilmuwan yang bekerja dengan GERDA berharap menemukan bentuk peluruhan radioaktif yang sangat langka.Neutrino adalah salah satu partikel paling misterius di alam semesta. Ini memiliki massa kecil - Hadiah Nobel dalam Fisika pada 2016 dianugerahi untuk fakta "penemuan osilasi neutrino yang menunjukkan bahwa neutrino memiliki massa." Neutrino hampir tidak pernah berinteraksi dengan materi - sekitar 6 × 10,
10 neutrino yang dipancarkan Matahari melewati setiap detik melalui permukaan bumi dengan luas 1 cm².
Fisikawan saat ini mencoba mencari tahu beberapa sifat neutrino yang masih dipertanyakan. Para ilmuwan tahu bahwa Model Standar sudah dilanggar, sebagian karena neutrino memiliki massa, sedangkan Model Standar mengatakan bahwa mereka tidak boleh memiliki massa.
Eksperimen peluruhan beta ganda mungkin menjelaskan mengapa alam semesta tersusun dari materi. Model standar memprediksi bahwa setelah Big Bang, materi dan antimateri seharusnya dibuat dalam proporsi yang sama. Tetapi karena kedua bentuk materi yang saling bertentangan ini saling memusnahkan, alam semesta tidak akan terdiri dari apa pun.
Peluruhan beta terjadi ketika neutron (partikel netral dalam inti atom) secara spontan berubah menjadi proton dan elektron, dalam proses memancarkan antineutrino. Prosesnya juga dapat memiliki jalur yang sedikit berbeda: neutron menyerap neutrino dan berubah menjadi proton dan elektron. Peluruhan beta ganda akan menjadi situasi yang sangat langka di mana antineutrino yang muncul dalam kasus pertama diserap oleh neutron di kasus kedua.
Hal seperti itu dapat terjadi hanya ketika neutrino dan antineutrino pada dasarnya sama: yaitu, jika neutrino adalah antipartikelnya sendiri. Tidak ada yang tahu jika ini benar, tetapi jika demikian, maka dengan peluruhan awal neutrino, Semesta akan menciptakan lebih banyak partikel materi daripada antimateri.
NOVA, T2K dan DUNE
Detektor NOνA, Fermilab.Proyek NOνA (NuMI Off-Axis νe Appearance) telah menyatukan beberapa ratus ilmuwan dan insinyur dari 40 lembaga dari delapan negara. Dari Rusia, Institute for Nuclear Research RAS (INR RAS), dan Institut Fisika dinamai demikian P.N. Lebedeva (LPI) dan Institut Gabungan untuk Penelitian Nuklir dari Dubna.
Proyek ini menggunakan sinar neutrino dari generator NuMI (Neutrinos di Main Injector). Untuk mengimplementasikan eksperimen NOvA, dua laboratorium dibangun yang terletak 800 kilometer dari sumber neutrino. Aliran neutrino, yang keluar dari perut generator NuMI, melewati strata bumi dan memasuki sensor besar yang terletak di kedua sisi jalur gerak partikel. Eksperimen serupa di Jepang yang disebut T2K mengirimkan neutrino melintasi 295 kilometer permukaan bumi.
Salah satu sensor neutrino dalam proyek NOνA: panjang 14,3 meter, tinggi 4,2 meter, lebar 2,9 meter. Dan yang terbesar memiliki berat 14 ribu ton: panjangnya 78 m, tinggi 15,6 m, lebar 15,6 m - ini adalah struktur plastik terbesar di Bumi.Namun, NOνA bukanlah batasnya. Sekarang percobaan DUNE (Eksperimen Neutrino Bawah Tanah Dalam) sedang dipersiapkan berdasarkan kompleks akselerator Fermilab (Laboratorium Nasional Fermi, NOνA lewat di sini) dan detektor neutrino
LBNE yang ada (Fasilitas Neutrino
Garis Panjang). Direncanakan bahwa generator partikel NuMI dan sensor baru yang mengandung 40.000 liter argon cair akan terletak pada jarak 1.300 km dari satu sama lain.
Studi-studi ini akan membantu menguji hipotesis bahwa ada lebih banyak materi di alam semesta daripada antimateri. Selain mempelajari neutrino, percobaan mengatur sendiri tugas mencari peluruhan proton dalam beberapa mode peluruhan penting. Bahkan jika data penelitian tidak sesuai dengan harapan para ilmuwan, mereka akan berguna, karena mereka akan menghilangkan banyak hipotesis yang sekarang diajukan.
Teluk Daya
Daya Bay adalah percobaan untuk mempelajari osilasi neutrino (efek yang disebabkan oleh perubahan jenis (atau rasa) neutrino ketika mereka berpindah dari sumber ke detektor), yang dilakukan di Cina. Instalasi, yang terletak di tiga ruang bawah tanah, terdiri dari delapan detektor
kilau cairan antineutrino, yang masing-masing berisi 20 ton
kilau cair. Sumber antineutrino adalah enam reaktor nuklir (masing-masing dengan daya panas sekitar 3 GW) yang terletak pada jarak dari ~ 500 hingga ~ 1800 meter dari detektor. Para ilmuwan dari Teluk Daya sedang mencoba menemukan dua parameter kunci fisika neutrino - "sudut pencampuran neutrino" dan "perbedaan kuadrat massa neutrino."
Deteksi Materi Gelap
Apa itu materi gelap? Belum ada yang tahu. Ada banyak materi gelap di Semesta - suatu zat yang tidak kita daftarkan secara langsung dalam rentang spektrum elektromagnetik apa pun, tetapi yang “berkumpul” di galaksi dan gugusannya. Hal ini harus terdiri dari partikel-partikel jenis baru, yang tidak memiliki tempat dalam Model Standar.
Ada banyak percobaan di mana bukti langsung tentang keberadaan materi gelap dicari. Kesulitannya adalah mereka semua menunjuk pada hal-hal yang berbeda.
Detektor LUX.Detektor yang sangat sensitif, disebut LUX (Large Underground Xenon), seharusnya membantu menghilangkan kebingungan, tetapi sebagai hasilnya menambahkan lebih
banyak rahasia . LUX terletak di tambang emas yang ditinggalkan di South Dakota. Instalasi diluncurkan pada pertengahan 2013, dan sejak itu belum menemukan partikel materi gelap.
Detektor LZ ultra-sensitif berikutnya sedang dipersiapkan untuk menggantikan LUX. Pada saat yang sama, kolaborasi DARWIN sedang menyiapkan detektor xenon 25 ton - untuk perbandingan, di LUX hanya ada 370 kg xenon.
Masalahnya adalah bahwa para ilmuwan tidak memiliki konsensus tentang cara mencari materi gelap. Ada berbagai proyek, dan tidak ada yang bisa memprediksi mana yang akan memberikan efek positif. Tetapi setiap proyek memakan banyak sumber daya dari komunitas ilmiah.
Pengamatan energi gelap
Menurut pengamatan dari Planck Space Observatory, total energi-massa dari Alam Semesta yang dapat diamati terdiri dari 68,3% energi gelap (26,8% adalah materi gelap, dan yang lainnya adalah sesuatu yang lain). Pada saat yang sama, fisikawan masih tidak tahu apa itu energi gelap, bagaimana ia menyebabkan perluasan Alam Semesta (dan apakah itu penyebabnya). Energi gelap hanyalah istilah kondisional untuk apa yang tampak seperti misteri kosmik yang sangat besar. Tetapi para ilmuwan tidak meninggalkan upaya untuk "menjelaskan" misteri ini.
Proyek Survei Energi Gelap (DES) akan mempelajari langit malam hingga 2019. Alat utama DES adalah kamera 570 megapiksel (salah satu yang paling kuat di dunia), terintegrasi ke dalam tubuh teleskop empat meter
Victor M. Blanco , yang terletak di Andes Chili. Sistem optik kamera terdiri dari lima lensa dengan bentuk yang sangat jelas. Diameter terbesar mereka adalah 90 sentimeter.
DES dapat menangkap cahaya yang berasal dari ratusan ribu bintang yang berjarak 8 miliar tahun cahaya dari Bumi. Anda tidak dapat melihat energi itu sendiri, namun, jika Anda membuat peta lengkap distribusi materi gelap, para ilmuwan akan dapat mengukur seberapa cepat perpindahan relatif massa materi gelap ini terjadi. Data ini akan membantu untuk lebih memahami energi yang bertanggung jawab untuk perluasan alam semesta.
Tentu saja, materi gelap itu sendiri juga tidak terlihat, tetapi keberadaannya dapat dideteksi oleh distorsi gravitasi cahaya dari objek astronomi yang jauh. Ahli astrofisika sedang mencari jenis distorsi yang pasti pada gambar digital yang diterima dengan DES - lensa gravitasi yang disebut.
Membandingkan tingkat konvergensi massa materi gelap yang kita kenal di berbagai tahap perkembangan Semesta berdasarkan analisis gambar objek astronomi pada jarak yang berbeda dari kita, kosmolog akan dapat mengevaluasi kecepatan dan dinamika ekspansi. Dan ini, pada gilirannya, dapat memberikan jawaban tentang sifat energi gelap, atau dapat membuktikan kegagalan teori sepenuhnya.
Observatorium NEPTUNE
Eksperimen ini menyangkut kosmos lain yang ada di kaki kita. Lautan mencakup hampir tiga perempat permukaan Bumi dan mengandung 90% dari semua kehidupan, tetapi mereka tidak banyak dipelajari. NEPTUNE Ocean Observatory (Eksperimen Jaringan Bawah Laut Seri-Waktu Pasifik Utara-Timur) terdiri dari ratusan kilometer kabel dan 130 instrumen dengan 400 sensor, dan melakukan pemantauan skala-besar pertama sepanjang waktu terhadap sistem laut.
Sensor Neptunus mengumpulkan analisis kimia dan fisik untuk menentukan bagaimana data oseanografi berubah seiring waktu. Hidrofon yang terletak di dasar laut merekam lumba-lumba dan paus untuk melacak rute kelimpahan dan migrasi mereka. Ada sistem pengenalan tsunami untuk survei seismik dan sensor yang mengukur jumlah gas rumah kaca di ekosistem laut. Robot yang dikendalikan dari jarak jauh berjalan di sepanjang dasar laut untuk mengendalikan endapan metana bawah laut.
NIF dan ITER
National Ignition Facility (NIF) - kompleks ilmiah untuk penerapan fusi termonuklir inersia (ICF) menggunakan laser. Pembangunannya memakan waktu 12 tahun dan sekitar $ 4 miliar. Kompleks ini terdiri dari 192 laser berdaya tinggi, yang darinya pulsa, setelah amplifikasi multi-tahap, secara bersamaan dikirim ke target milimeter dengan bahan bakar termonuklir. Kekuatan laser adalah 500 TW. Suhu target akan mencapai puluhan juta derajat, sementara itu akan menyusut 1000 kali - akibatnya, tekanan di dalamnya akan seperti di inti raksasa gas.
Ketika 192 balok individu bertemu pada target yang mengandung atom deuterium (hidrogen dengan satu neutron) dan tritium (hidrogen dengan dua neutron), inti atom bergabung dan menciptakan ledakan energi. Pada tahun 2013, reaksi termonuklir dinyalakan di fasilitas, di mana untuk pertama kalinya di dunia energi yang dilepaskan selama reaksi melebihi energi yang diserap oleh target.
Situs konstruksi raksasa kompleks ITER dengan luas 180 hektar.Proyek yang melampaui NIF adalah ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), reaktor fusi terbesar di dunia dengan berat 23.000 ton, yang membuktikan manfaat komersial dari penggunaan energi termonuklir. Faktanya, ITER telah dibangun selama sepuluh tahun, dan pengembangan konseptual reaktor fusi selesai pada tahun 1989.
Mereka sedang mengerjakan reaktor di seluruh dunia - Rusia, India, Jepang, Cina, Korea Selatan dan Amerika Serikat, serta seluruh Uni Eropa. Yang tidak mengejutkan mengingat anggaran - 19 miliar euro. Ini adalah salah satu eksperimen paling mahal dalam sejarah umat manusia (sebagai perbandingan, biaya LHC "hanya" 4,4 miliar dolar).
Proyek, di mana campuran deuterium-tritium harus dipanaskan hingga suhu lebih dari seratus juta derajat Celcius, tidak akan diluncurkan hingga 2025. Jika semuanya berjalan dengan baik, manusia akan menerima alternatif yang paling menjanjikan untuk minyak dan gas.