भौतिकशास्त्रातील गोंधळातून कसे बाहेर पडायचे?

पुढील पिढीतील पार्टिकल कोलायडरसाठी अब्जावधी डॉलर्स खर्च होतील. युरोप आणि चीनमध्ये अशी उपकरणे तयार करण्याची योजना आहे, परंतु शास्त्रज्ञांना प्रश्न आहे की याचा अर्थ आहे का. कदाचित आपण प्रयोग आणि संशोधनाचा नवीन मार्ग शोधला पाहिजे ज्यामुळे भौतिकशास्त्रात प्रगती होईल? 

लार्ज हॅड्रॉन कोलायडर (LHC) सह मानक मॉडेलची वारंवार पुष्टी केली गेली आहे, परंतु ते भौतिकशास्त्राच्या सर्व अपेक्षा पूर्ण करत नाही. ते गडद पदार्थ आणि गडद उर्जेचे अस्तित्व किंवा गुरुत्वाकर्षण इतर मूलभूत शक्तींपेक्षा इतके वेगळे का आहे यासारख्या रहस्यांचे स्पष्टीकरण देऊ शकत नाही.

विज्ञानात पारंपारिकपणे अशा समस्यांना सामोरे जाण्यासाठी, या गृहितकांची पुष्टी किंवा खंडन करण्याचा एक मार्ग आहे. अतिरिक्त डेटाचे संकलन - या प्रकरणात, चांगल्या दुर्बिणी आणि सूक्ष्मदर्शकांमधून, आणि कदाचित पूर्णपणे नवीन, अगदी मोठ्या सुपर बंपर ते शोधण्याची संधी निर्माण करेल सुपरसिमेट्रिक कण.

2012 मध्ये, चायनीज अकादमी ऑफ सायन्सेसच्या उच्च ऊर्जा भौतिकशास्त्र संस्थेने एक विशाल सुपर काउंटर तयार करण्याची योजना जाहीर केली. नियोजित इलेक्ट्रॉन पॉझिट्रॉन कोलायडर (CEPC) त्याचा घेर सुमारे 100 किमी असेल, जो LHC च्या जवळपास चौपट असेल (1). प्रतिसाद म्हणून, 2013 मध्ये, LHC च्या ऑपरेटरने, म्हणजे CERN, नावाच्या नवीन टक्कर उपकरणासाठी आपली योजना जाहीर केली. फ्युचर सर्कुलर कोलायडर (FCC).

1. नियोजित CEPC, FCC आणि LHC प्रवेगकांच्या आकाराची तुलना.

मात्र, या मोठ्या गुंतवणुकीतून हे प्रकल्प फायदेशीर ठरतील का, असा प्रश्न शास्त्रज्ञ आणि अभियंते विचारत आहेत. कण भौतिकशास्त्रातील नोबेल पारितोषिक विजेते चेन-निंग यांग यांनी तीन वर्षांपूर्वी त्यांच्या ब्लॉगवर नवीन सुपरसिमेट्री वापरून सुपरसिमेट्रीच्या ट्रेसच्या शोधावर टीका केली होती आणि त्याला "अंदाज लावणारा खेळ" म्हटले होते. एक अतिशय महाग अंदाज. चीनमधील अनेक शास्त्रज्ञांनी त्याला प्रतिध्वनी दिली आणि युरोपमध्ये, विज्ञानाच्या दिग्गजांनी त्याच भावनेने FCC प्रकल्पाबद्दल बोलले.

फ्रँकफर्टमधील इन्स्टिट्यूट फॉर अॅडव्हान्स्ड स्टडीच्या भौतिकशास्त्रज्ञ सबिना होसेनफेल्डर यांनी गिझमोडोला याची माहिती दिली. -

अधिक शक्तिशाली टक्कर तयार करणार्‍या प्रकल्पांचे समीक्षक हे लक्षात घेतात की जेव्हा ते बांधले गेले तेव्हा परिस्थिती वेगळी आहे. आम्ही शोधत होतो हे त्यावेळी माहीत होतं बोग्स हिग्ज. आता उद्दिष्टे कमी आहेत. आणि हिग्जच्या शोधाला सामावून घेण्यासाठी लार्ज हॅड्रॉन कोलायडरने केलेल्या प्रयोगांच्या परिणामांमधील शांतता - 2012 पासून कोणतेही यश मिळालेले नाही - हे काहीसे अशुभ आहे.

याव्यतिरिक्त, एक सुप्रसिद्ध, परंतु कदाचित सार्वत्रिक नाही, हे तथ्य आहे LHC मधील प्रयोगांच्या परिणामांबद्दल आपल्याला जे काही माहित आहे ते तेव्हा मिळालेल्या डेटाच्या फक्त 0,003% च्या विश्लेषणातून येते. आम्ही फक्त अधिक हाताळू शकलो नाही. हे नाकारले जाऊ शकत नाही की भौतिकशास्त्रातील महान प्रश्नांची उत्तरे ज्याचा आपण विचार केला नाही त्या 99,997% मध्ये आधीच आहेत. तर कदाचित तुम्हाला दुसरी मोठी आणि महागडी मशीन तयार करण्यासाठी इतकी गरज नाही, परंतु अधिक माहितीचे विश्लेषण करण्याचा मार्ग शोधण्यासाठी?

हे विचारात घेण्यासारखे आहे, विशेषत: भौतिकशास्त्रज्ञांना कारमधून आणखी पिळून काढण्याची आशा आहे. दोन वर्षांचा डाउनटाइम (तथाकथित) जो नुकताच सुरू झाला तो 2021 पर्यंत कोलायडर निष्क्रिय ठेवेल, देखभाल करण्यास परवानगी देईल (2). त्यानंतर 2023 मध्ये मोठे अपग्रेड होण्यापूर्वी, 2026 मध्ये पूर्ण होण्याआधी ते समान किंवा काहीशा उच्च उर्जेवर कार्य करण्यास प्रारंभ करेल.

या अपग्रेडसाठी एक अब्ज डॉलर्स (एफसीसीच्या नियोजित खर्चाच्या तुलनेत स्वस्त) खर्च येईल आणि तथाकथित तयार करणे हे त्याचे लक्ष्य आहे. उच्च ल्युमिनोसिटी-LHC. 2030 पर्यंत, प्रति सेकंद कारच्या टक्करांच्या संख्येत दहापट वाढ होऊ शकते.

2. LHC वर दुरुस्तीचे काम

तो एक न्यूट्रिनो होता

LHC मध्ये आढळले नाही अशा कणांपैकी एक, जरी ते अपेक्षित होते, WIMP (-कमकुवतपणे प्रचंड कणांशी संवाद साधणे). हे काल्पनिक जड कण आहेत (१० GeV/s² पासून अनेक TeV/s² पर्यंत, तर प्रोटॉन वस्तुमान 10 GeV/s² पेक्षा किंचित कमी आहे) कमकुवत परस्परसंवादाशी तुलना करता येणार्‍या शक्तीसह दृश्यमान पदार्थांशी संवाद साधतात. ते गडद पदार्थ नावाच्या गूढ वस्तुमानाचे स्पष्टीकरण देतील, जे विश्वामध्ये सामान्य पदार्थापेक्षा पाचपट अधिक सामान्य आहे.

LHC मध्ये, प्रायोगिक डेटाच्या या 0,003% मध्ये कोणतेही WIMP आढळले नाहीत. तथापि, यासाठी स्वस्त पद्धती आहेत - उदाहरणार्थ. XENON-NT प्रयोग (3), लिक्विड झेनॉनचा एक प्रचंड व्हॅट इटलीमध्ये खोल भूगर्भात आहे आणि संशोधन नेटवर्कमध्ये पोसण्याच्या प्रक्रियेत आहे. दक्षिण डकोटामधील झेनॉन, एलझेडच्या आणखी एका मोठ्या व्हॅटमध्ये, 2020 पासून शोध सुरू होईल.

अतिसंवेदनशील अल्ट्राकोल्ड सेमीकंडक्टर डिटेक्टरचा समावेश असलेला दुसरा प्रयोग म्हणतात सुपरकेडीएमएस स्नोलॅब, 2020 च्या सुरुवातीला ऑन्टारियोमध्ये डेटा अपलोड करणे सुरू करेल. म्हणून 20 व्या शतकाच्या XNUMX च्या दशकात या रहस्यमय कणांचे शेवटी “शूटिंग” होण्याची शक्यता वाढत आहे.

विम्प्स हे केवळ गडद पदार्थाचे उमेदवार नाहीत ज्यांच्या मागे शास्त्रज्ञ आहेत. त्याऐवजी, प्रयोग अक्ष नावाचे पर्यायी कण तयार करू शकतात, ज्याचे थेट न्यूट्रिनोसारखे निरीक्षण करता येत नाही.

पुढचे दशक न्यूट्रिनोशी संबंधित शोधांचे असेल अशी दाट शक्यता आहे. ते विश्वातील सर्वात विपुल कणांपैकी एक आहेत. त्याच वेळी, अभ्यास करणे सर्वात कठीण आहे, कारण न्यूट्रिनो सामान्य पदार्थांशी अत्यंत कमकुवतपणे संवाद साधतात.

शास्त्रज्ञांना फार पूर्वीपासून माहित आहे की हा कण तीन स्वतंत्र तथाकथित फ्लेवर्स आणि तीन स्वतंत्र वस्तुमान अवस्थांपासून बनलेला आहे - परंतु ते स्वादांशी तंतोतंत जुळत नाहीत आणि क्वांटम मेकॅनिक्समुळे प्रत्येक चव तीन वस्तुमान अवस्थांचे संयोजन आहे. संशोधकांना आशा आहे की या वस्तुमानांचा नेमका अर्थ आणि प्रत्येक सुगंध तयार करण्यासाठी ते एकत्रित केल्यावर ते कोणत्या क्रमाने दिसतात. सारखे प्रयोग कॅथरिन जर्मनीमध्ये, त्यांनी येत्या काही वर्षांत ही मूल्ये निश्चित करण्यासाठी आवश्यक डेटा गोळा करणे आवश्यक आहे.

3. XENON-nT डिटेक्टर मॉडेल

न्यूट्रिनोमध्ये विचित्र गुणधर्म आहेत. अंतराळात प्रवास करणे, उदाहरणार्थ, ते अभिरुचीनुसार दोलायमान वाटतात. पासून तज्ञ जिआंगमेन अंडरग्राउंड न्यूट्रिनो वेधशाळा चीनमध्ये, जे पुढील वर्षी जवळच्या अणुऊर्जा प्रकल्पांमधून उत्सर्जित होणाऱ्या न्यूट्रिनोवरील डेटा गोळा करणे सुरू करेल अशी अपेक्षा आहे.

या प्रकारचा एक प्रकल्प आहे सुपर कामिओकांडे, जपानमधील निरीक्षणे बर्याच काळापासून चालू आहेत. अमेरिकेने स्वतःची न्यूट्रिनो चाचणी साइट तयार करण्यास सुरुवात केली आहे. एलबीएनएफ इलिनॉयमध्ये आणि खोलीवर न्यूट्रिनोचा प्रयोग ढिगारा दक्षिण डकोटा मध्ये.

$1,5 अब्ज बहु-देशीय अनुदानित LBNF/DUNE प्रकल्प 2024 मध्ये सुरू होईल आणि 2027 पर्यंत पूर्णपणे कार्यान्वित होईल अशी अपेक्षा आहे. न्यूट्रिनोचे रहस्य उघड करण्यासाठी डिझाइन केलेले इतर प्रयोग समाविष्ट आहेत मार्ग, टेनेसी येथील ओक रिज राष्ट्रीय प्रयोगशाळेत आणि लहान बेसलाइन न्यूट्रिनो प्रोग्राम, फर्मिलॅब, इलिनॉय मध्ये.

यामधून, प्रकल्पात दंतकथा-200, 2021 मध्ये उघडण्यासाठी अनुसूचित, न्यूट्रिनोलेस डबल बीटा क्षय म्हणून ओळखल्या जाणार्‍या घटनेचा अभ्यास केला जाईल. असे गृहीत धरले जाते की अणूच्या केंद्रकातील दोन न्यूट्रॉन एकाच वेळी प्रोटॉनमध्ये क्षय करतात, त्यापैकी प्रत्येक इलेक्ट्रॉन बाहेर काढतो आणि , दुसर्‍या न्यूट्रिनोच्या संपर्कात येतो आणि नष्ट होतो.

अशी प्रतिक्रिया अस्तित्त्वात असल्यास, न्यूट्रिनो हे त्यांचे स्वतःचे प्रतिपदार्थ आहेत याचा पुरावा देईल, अप्रत्यक्षपणे सुरुवातीच्या विश्वाबद्दलच्या दुसर्‍या सिद्धांताची पुष्टी करेल - प्रतिपदार्थापेक्षा जास्त पदार्थ का आहे हे स्पष्ट करेल.

भौतिकशास्त्रज्ञांना शेवटी रहस्यमय गडद उर्जेचा शोध घ्यायचा आहे जी अंतराळात प्रवेश करते आणि विश्वाचा विस्तार करण्यास कारणीभूत ठरते. गडद ऊर्जा स्पेक्ट्रोस्कोपी टूल (DESI) ने गेल्या वर्षीच काम करायला सुरुवात केली होती आणि 2020 मध्ये लॉन्च होण्याची अपेक्षा आहे. मोठी सिनोप्टिक सर्वेक्षण दुर्बीण चिलीमध्ये, नॅशनल सायन्स फाउंडेशन/डिपार्टमेंट ऑफ एनर्जी द्वारे प्रायोगिक तत्त्वावर, या उपकरणांचा वापर करून पूर्ण संशोधन कार्यक्रम 2022 मध्ये सुरू होईल.

दुसऱ्या बाजूला (4), जे बाहेर जाणार्‍या दशकाची घटना बनण्याचे ठरले होते, अखेरीस विसाव्या वर्धापन दिनाचा नायक बनेल. नियोजित शोधांव्यतिरिक्त, ते आकाशगंगा आणि त्यांच्या घटनांचे निरीक्षण करून गडद उर्जेच्या अभ्यासात योगदान देईल.

4. जेम्स वेब टेलिस्कोपचे व्हिज्युअलायझेशन

आम्ही काय विचारणार आहोत

सामान्य अर्थाने, आजपासून दहा वर्षांनंतर आपण असेच अनुत्तरीत प्रश्न विचारत राहिल्यास भौतिकशास्त्रातील पुढील दशक यशस्वी होणार नाही. जेव्हा आपल्याला हवी असलेली उत्तरे मिळतील तेव्हा ते अधिक चांगले होईल, परंतु जेव्हा पूर्णपणे नवीन प्रश्न उद्भवतील तेव्हा देखील, कारण आपण अशा परिस्थितीवर विश्वास ठेवू शकत नाही ज्यामध्ये भौतिकशास्त्र म्हणेल, "माझ्याकडे आणखी प्रश्न नाहीत,".