Para entender melhor nosso universo e determinar o papel do homem nele, os cientistas criam ferramentas cada vez mais ambiciosas e conduzem experimentos em larga escala. A ciência há muito tempo ultrapassa a linha da qual faltam os esforços de gênios únicos que conduzem experimentos em seus laboratórios privados. A grande ciência agora exige pesquisa cara, apoiada por anos por grupos de pesquisa de vários países.
Quanto maiores os experimentos, mais descobertas impressionantes nos aguardam. Como determinar a escala? Para isso, basta saber a quantidade de custos de construção, o número de pessoas e as dimensões físicas do próprio projeto. Não esqueceremos a utilidade científica do projeto do ponto de vista de uma pessoa comum.
TANQUE
O acelerador mais poderoso da Terra completou o primeiro ciclo de seu trabalho em fevereiro de 2013, depois de ter resolvido sua tarefa principal, encontrou o bóson de Higgs. Os cientistas descobriram o último fragmento que faltava das interações de todas as partículas e forças conhecidas dentro do Modelo Padrão.
No entanto, os físicos ficaram decepcionados. Muitos esperavam que a partícula de Higgs não fosse o que a teoria previa, ou que a suposição da existência de um bóson estaria completamente errada. No mínimo, os cientistas esperavam que as propriedades do bóson de Higgs fossem diferentes daquelas previstas pelo Modelo Padrão, para que os cientistas passassem a criar uma nova física.
Desvios do Modelo Padrão (uma teoria da física de partículas elementares que descreve as interações eletromagnéticas, fracas e fortes de todas as partículas elementares) ajudariam a encontrar outras partículas interessantes, para provar a existência de partículas supersimétricas - partículas parceiras de todo o Universo. Por exemplo, para um photon - photino, para um quarks - squark, para Higgs - Higgsino, e assim por diante.
Em vez disso, começamos a duvidar de todas as teorias supersimétricas. É possível que centenas de físicos ao redor do mundo durante décadas gastaram seus recursos procurando o que não é.
Nos próximos anos, os pesquisadores coletarão novos dados que ajudarão a responder perguntas sobre matéria escura, energia escura, propriedades dos neutrinos, natureza do bóson de Higgs e, possivelmente, como será a próxima era na física.
Em 23 de maio, as primeiras colisões de prótons em 2017 ocorreram no Large Hadron Collider. A calibração de detectores e milhares de subsistemas foi concluída. Até o final de 2017, o colisor deverá dobrar o volume das estatísticas de colisão com uma energia de 13 tera-elétron-volts.
HL-LHC e ILC
Conceito ILC.Até 2020, o Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN) planeja modernizar o LHC. “LHC em alta luminosidade” (LHC de alta luminosidade) é o nome do próximo projeto de modernização, graças ao qual a luminosidade do dispositivo aumentará 10 vezes. Luminosidade - um método de medir o desempenho de um acelerador, caracterizando a intensidade da colisão de partículas de dois feixes que se aproximam. Quanto maior a luminosidade, mais dados podem ser coletados durante o experimento.
Como resultado, os prótons colidem com energias de até 30 TeV ou até mais, o que levará a ainda mais colisões e a um aumento no número de partículas. No entanto, nessas condições, o trabalho dos físicos só se tornará mais complicado - apenas fenômenos extremamente raros precisarão ser identificados a partir da massa de eventos. Haverá novas versões de detectores - superCMS e superATLAS.
Além das pesquisas realizadas no LHC, está planejado expandir o trabalho científico devido ao International Linear Collider (ILC), que ultrapassará o próprio LHC. O colisor de elétrons-pósitrons será composto por dois aceleradores lineares cada um com 12 km de comprimento. O comprimento total da instalação é estimado em 31 km. Posteriormente, o acelerador pode ser complementado com novas seções, como resultado do qual o comprimento da instalação aumentará para 50 km.
A ILC poderá criar um grande número de bósons de Higgs, o que permite aos cientistas estudar com precisão as propriedades da partícula. Ele também conseguiu identificar eventos anormais que permitiriam a investigação de teorias exóticas fora do Modelo Padrão.
Como alternativa, é considerado um colisor anel-elétron-pósitron, que pode se tornar uma fábrica real para a "produção" dos bósons de Higgs. Na luminosidade na região de até 200 GeV, os colisores cíclicos são superiores aos lineares. A faixa de energia do novo colisor é de 45 GeV a 175 GeV, o que nos permite estudar em detalhes as propriedades dos bósons Z-, W-, Higgs e t-quarks. Além disso, o custo do projeto é menor que o ILC.
Em 2020, o CERN planeja decidir sobre a construção de um "colisor do futuro", escolhendo entre duas opções promissoras.
Neutrinos misteriosos
O GERmanium Detector Array (GERDA) procura por neutrinos monitorando a atividade elétrica dentro de cristais de germânio puro isolados nas profundezas de uma montanha na Itália. Os cientistas que trabalham com a GERDA esperam descobrir uma forma muito rara de decaimento radioativo.O neutrino é uma das partículas mais misteriosas do universo. Tem uma massa minúscula - o Prêmio Nobel de Física em 2016 foi concedido pelo próprio fato de “a descoberta de oscilações de neutrinos mostrando que os neutrinos têm massa”. Os neutrinos quase nunca interagem com a matéria - cerca de 6 x 10
10 neutrinos emitidos pelo Sol passam a cada segundo pela superfície da terra com uma área de 1 cm².
Atualmente, os físicos estão tentando descobrir algumas propriedades dos neutrinos que permanecem em questão. Os cientistas sabem que o Modelo Padrão já foi violado, em parte porque os neutrinos têm massa, enquanto o Modelo Padrão diz que eles não deveriam ter massa.
Experimentos com decaimento beta duplo podem explicar por que o universo é composto de matéria. O modelo padrão prevê que, após o Big Bang, matéria e antimatéria deveriam ter sido criadas em proporções iguais. Mas como essas duas formas conflitantes de matéria se aniquilam, o universo não teria que consistir em nada.
O decaimento beta ocorre quando um nêutron (uma partícula neutra em um núcleo atômico) espontaneamente se transforma em um próton e um elétron, no processo que emite um antineutrino. O processo também pode ter um caminho ligeiramente diferente: o nêutron absorve o neutrino e se transforma em próton e elétron. O decaimento beta duplo seria uma situação extremamente rara, na qual o antineutrino que aparece no primeiro caso é absorvido pelo nêutron no segundo.
Tal coisa só pode acontecer quando o neutrino e o antineutrino são basicamente os mesmos: isto é, se o neutrino é sua própria antipartícula. Ninguém sabe se é assim, mas se for assim, com os primeiros decaimentos dos neutrinos, o Universo criaria um pouco mais de partículas de matéria do que a antimatéria.
NOVA, T2K e DUNE
Detector NOVA, Fermilab.O projeto NOνA (NuMI Off-Axis eare Appearance) reuniu várias centenas de cientistas e engenheiros de 40 institutos de oito países. Da Rússia, o Instituto de Pesquisa Nuclear RAS (INR RAS) e o Instituto de Física nomeado após P.N. Lebedeva (LPI) e o Instituto Conjunto de Pesquisa Nuclear de Dubna.
O projeto utiliza um feixe de neutrinos de um gerador NuMI (Neutrinos no Injetor Principal). Para implementar o experimento NOvA, dois laboratórios foram construídos, localizados a 800 quilômetros da fonte de neutrinos. O fluxo de neutrinos, saindo das entranhas do gerador NuMI, passa pelos estratos da terra e entra em enormes sensores localizados em ambos os lados do caminho do movimento das partículas. Um experimento semelhante no Japão chamado T2K envia neutrinos através de 295 quilômetros da superfície da Terra.
Um dos sensores de neutrinos do projeto NOνA: 14,3 metros de comprimento, 4,2 metros de altura e 2,9 metros de largura. E o maior pesa 14 mil toneladas: seu comprimento é 78 m, altura 15,6 m, largura 15,6 m - esta é a maior estrutura plástica da Terra.No entanto, NOνA não é o limite. Agora, o experimento DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) está sendo preparado com base no complexo acelerador Fermilab (Fermi National Laboratory, NOνA passa aqui) e no detector de neutrinos
LBNE existente (Long-Baseline Neutrino Facility). Está previsto que o gerador de partículas NuMI e um novo sensor contendo 40.000 litros de argônio líquido estejam localizados a uma distância de 1300 km um do outro.
Esses estudos ajudarão a testar a hipótese de que há mais matéria no universo do que antimatéria. Além de estudar neutrinos, o experimento define a tarefa de procurar decaimento de prótons em vários modos importantes de decaimento. Mesmo que os dados da pesquisa não coincidam com as expectativas dos cientistas, eles serão úteis, pois eliminarão as muitas hipóteses agora propostas.
Daya bay
Daya Bay é um experimento para estudar as oscilações de neutrinos (um efeito causado por uma alteração no tipo (ou sabor) dos neutrinos à medida que eles se movem da fonte para o detector), realizado na China. A instalação, localizada em três salas subterrâneas, consiste em oito detectores de
cintilação com líquido antineutrino, cada um contendo 20 toneladas de
cintilador líquido. A fonte do antineutrino são seis reatores nucleares (cada um com uma potência térmica de cerca de 3 GW) localizados a distâncias de ~ 500 a ~ 1800 metros dos detectores. Cientistas da baía de Daya estão tentando descobrir dois parâmetros-chave da física dos neutrinos - o "ângulo de mistura dos neutrinos" e a "diferença dos quadrados das massas de neutrinos".
Detecção de matéria escura
O que é matéria escura? Ninguém sabe ainda. Há muita matéria escura no Universo - uma substância que não registramos diretamente em nenhuma faixa do espectro eletromagnético, mas que “se reúne” nas galáxias e em seus aglomerados. Esse assunto deve consistir em partículas de um novo tipo, que não têm lugar no Modelo Padrão.
Existem muitas experiências nas quais se busca evidência direta da existência de matéria escura. A dificuldade é que todos apontam para coisas diferentes.
Detector LUX.Um detector muito sensível, chamado LUX (Large Underground Xenon), deveria ajudar a eliminar a confusão, mas, como resultado, adicionou ainda
mais segredos . LUX está localizado em uma mina de ouro abandonada em Dakota do Sul. A instalação foi lançada em meados de 2013 e, desde então, não encontrou partículas de matéria escura.
O próximo detector LZ ultra-sensível já está sendo preparado para substituir o LUX. Ao mesmo tempo, a colaboração DARWIN está preparando um detector de xenônio de 25 toneladas - para comparação, em LUX, existem apenas 370 kg de xenônio.
O problema é que os cientistas não têm consenso sobre como procurar matéria escura. Existem vários projetos, e ninguém pode prever qual deles dará um efeito positivo. Mas cada projeto consome uma enorme quantidade de recursos da comunidade científica.
Observação de energia escura
De acordo com observações do Observatório Espacial Planck, a energia de massa total do Universo observável consiste em 68,3% da energia escura (26,8% é matéria escura e todo o resto é outra coisa). Ao mesmo tempo, os físicos ainda não sabem o que é energia escura, como ela causa a expansão do Universo (e se ela causa). Energia escura é apenas um termo condicional para o que parece ser um grande mistério cósmico. Mas os cientistas não abandonam as tentativas de "esclarecer" esse mistério.
O projeto Dark Energy Survey (DES) estudará o céu noturno até 2019. A ferramenta principal do DES é uma câmera de 570 megapixels (uma das mais poderosas do mundo), integrada ao corpo do telescópio de quatro metros
Victor M. Blanco , localizado nos Andes chilenos. O sistema óptico da câmera consiste em cinco lentes de formato estritamente definido. O diâmetro do maior deles é de 90 centímetros.
O DES pode capturar a luz que emana de centenas de milhares de estrelas a 8 bilhões de anos-luz de distância da Terra. Você não pode ver a própria energia, no entanto, se você fizer um mapa completo da distribuição da matéria escura, os cientistas serão capazes de medir a rapidez com que ocorre o deslocamento relativo dessas massas de matéria escura. Esses dados ajudarão a entender melhor a energia responsável pela expansão do universo.
Obviamente, a própria matéria escura também é invisível, mas sua presença pode ser detectada pelas distorções gravitacionais da luz de objetos astronômicos distantes. Os astrofísicos estão procurando um tipo definido de distorção nas imagens digitais recebidas com o DES - as chamadas lentes gravitacionais.
Comparando o grau de convergência das massas de matéria escura conhecidas por nós em vários estágios do desenvolvimento do Universo, com base na análise de imagens de objetos astronômicos a diferentes distâncias de nós, os cosmólogos poderão avaliar a velocidade e a dinâmica da expansão. E isso, por sua vez, pode dar uma resposta sobre a natureza da energia escura, ou pode provar o completo fracasso da teoria.
Observatório NEPTUNE
Esse experimento diz respeito a outro cosmos que está aos nossos pés. Os oceanos cobrem quase três quartos da superfície da Terra e contêm 90% de toda a vida, mas são pouco estudados. O NEPTUNE Ocean Observatory (experimento em rede subaquática de séries temporais do nordeste do Pacífico) consiste em centenas de quilômetros de cabos e 130 instrumentos com 400 sensores e realiza o primeiro monitoramento 24 horas em grande escala do sistema oceânico.
Os sensores de Netuno coletam análises químicas e físicas para determinar como os dados oceanográficos mudam ao longo do tempo. Os hidrofones localizados no fundo do mar registram golfinhos e baleias para rastrear suas rotas de abundância e migração. Existem sistemas de reconhecimento de tsunami para pesquisas sísmicas e sensores que medem a quantidade de gases de efeito estufa no ecossistema oceânico. Um robô de controle remoto viaja ao longo do fundo do mar para controlar os depósitos subaquáticos de metano.
NIF e ITER
National Ignition Facility (NIF) - um complexo científico para a implementação da fusão termonuclear inercial (CIF) usando lasers. A construção levou 12 anos e cerca de US $ 4 bilhões. O complexo consiste em 192 lasers de alta potência, cujos pulsos, após amplificação em vários estágios, são enviados simultaneamente para um alvo milimétrico com combustível termonuclear. A potência do laser é de 500 TW. A temperatura do alvo atingirá dezenas de milhões de graus, enquanto diminuirá 1000 vezes - como resultado, a pressão interna será como no núcleo da gigante de gás.
Quando 192 feixes individuais convergem para um alvo que contém átomos de deutério (hidrogênio com um nêutron) e trítio (hidrogênio com dois nêutrons), os núcleos dos átomos se fundem e criam uma explosão de energia. Em 2013, uma reação termonuclear foi iniciada na instalação, durante a qual, pela primeira vez no mundo, a energia liberada durante a reação excedeu a energia absorvida pelo alvo.
Gigante canteiro de obras do complexo ITER, com uma área de 180 hectares.O projeto que eclipsa o NIF é o ITER (Reator Experimental Termonuclear Internacional), o maior reator de fusão do mundo, pesando 23.000 toneladas, para provar os benefícios comerciais do uso da energia termonuclear. De fato, o ITER está em construção há dez anos e o desenvolvimento conceitual do reator de fusão foi concluído em 1989.
Eles estão trabalhando no reator em todo o mundo - Rússia, Índia, Japão, China, Coréia do Sul e EUA, além de toda a União Européia. O que não é surpreendente, dado o orçamento - 19 bilhões de euros. Este é um dos experimentos mais caros da história da humanidade (para comparação, o LHC custou "apenas" 4,4 bilhões de dólares).
O projeto, no qual a mistura de deutério-trítio deve ser aquecida a uma temperatura superior a cem milhões de graus Celsius, não será lançado até 2025. Se tudo correr bem, a humanidade receberá a alternativa mais promissora ao petróleo e gás.