Καθώς η λίστα υποχρεώσεων είναι απενεργοποιημένη, οι φυσικοί των ΗΠΑ ρωτούν:«Τι ακολουθεί;
Καθώς οι φυσικοί των σωματιδίων των ΗΠΑ σκέφτονται το μέλλον τους, βρίσκονται θύματα της δικής τους εκπληκτικής επιτυχίας. Πριν από επτά χρόνια, η συχνά διχασμένη κοινότητα δημιούργησε τον τρέχοντα οδικό χάρτη της έρευνας και συσπειρώθηκε γύρω από αυτόν. Χάρη σε αυτή την ενότητα —και τους γενναιόδωρους προϋπολογισμούς— το Υπουργείο Ενέργειας (DOE), ο κύριος χορηγός του πεδίου στις ΗΠΑ, έχει ήδη ξεκινήσει σχεδόν όλα τα έργα του καταλόγου.
Έτσι, την επόμενη εβδομάδα, καθώς οι φυσικοί των σωματιδίων των ΗΠΑ αρχίζουν να συνθέτουν νέες ιδέες για την επόμενη δεκαετία σε μια διαδικασία Snowmass διάρκειας ενός έτους - που ονομάστηκε από το χιονοδρομικό κέντρο του Κολοράντο όπου κάποτε πραγματοποιήθηκαν τέτοιες ασκήσεις σχεδιασμού - δεν έχουν κανένα μεγάλο έργο να προωθήσουν (ή κατά ). Και σε ορισμένα υποπεδία, τα επόμενα βήματα φαίνονται πολύ λιγότερο προφανή από ό,τι ήταν πριν από 10 χρόνια. «Πρέπει να είμαστε πολύ πιο ανοιχτοί ως προς το τι είναι η φυσική των σωματιδίων και η θεμελιώδης φυσική», λέει ο Young-Kee Kim από το Πανεπιστήμιο του Σικάγο και πρόεδρος του τμήματος σωματιδίων και πεδίων της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας, που χρηματοδοτεί την άσκηση σχεδιασμού. /P>
Πριν από δέκα χρόνια, η κοινότητα της σωματιδιακής φυσικής των ΗΠΑ βρισκόταν σε αταξία. Τα σύνορα υψηλής ενέργειας είχαν περάσει στο CERN, το ευρωπαϊκό εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής κοντά στη Γενεύη, όπου, το 2012, ο μεγαλύτερος καταστροφέας ατόμων στον κόσμο, ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων (LHC), εκτόξευσε το πολυπόθητο μποζόνιο Higgs, το τελευταίο κομμάτι σε σωματίδιο. πρότυπο μοντέλο των φυσικών. Μερικοί φυσικοί ήθελαν οι Ηνωμένες Πολιτείες να οικοδομήσουν ένα τεράστιο πείραμα για να εκτοξεύουν άπιαστα σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα σε μεγάλες αποστάσεις μέσω της Γης για να μελετήσουν πώς «ταλαντώνονται» -μεταμορφώνονται από τον έναν από τους τρεις τύπους τους στον άλλο- καθώς κουμπώνουν κατά μήκος. Άλλοι ήθελαν οι Ηνωμένες Πολιτείες να βοηθήσουν στην ώθηση για τον επόμενο μεγάλο επιταχυντή.
Αυτές οι εντάσεις κορυφώθηκαν κατά την τελευταία προσπάθεια Snowmass το 2013 και τις επακόλουθες συζητήσεις του πίνακα προτεραιοτήτων του έργου σωματιδιακής φυσικής (P5), που έγραψε τον οδικό χάρτη. Οι αμερικανοί ερευνητές συμφώνησαν να δημιουργήσουν το πείραμα με νετρίνο, αλλά να το κάνουν μεγαλύτερο και καλύτερο προσκαλώντας διεθνείς εταίρους. Αποφάσισαν επίσης να συνεχίσουν να συμμετέχουν πλήρως στο LHC και να συνεχίσουν μια ποικιλία μικρότερων έργων στο σπίτι. Ο επόμενος συγκρουστήρας θα έπρεπε να περιμένει. Το πιο σημαντικό, προειδοποίησαν οι αξιωματούχοι της DOE, οι διαπληκτισμοί και τα πισώπλατα μαχαιρώματα έπρεπε να σταματήσουν. Στην πραγματικότητα, θυμούνται οι φυσικοί, η διαδικασία του 2013 είχε ένα άτυπο σύνθημα:"Οι επιστήμονες που τσακώνονται δεν παίρνουν τίποτα."
Οι φυσικοί μόλις άρχισαν να χτίζουν το κεντρικό στοιχείο του τρέχοντος σχεδίου. Το Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) στο Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) στο Ιλινόις θα εκτοξεύσει τα σωματίδια μέσα από 1300 χιλιόμετρα βράχου στο Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) στη Νότια Ντακότα, έναν ανιχνευτή γεμάτο με 40.000 τόνους υγρών αργόν. Το LBNF/DUNE, το οποίο αναμένεται να κυκλοφορήσει το 2026, στοχεύει να είναι η οριστική μελέτη των ταλαντώσεων των νετρίνων και κατά πόσο διαφέρουν μεταξύ των νετρίνων και των αντινετρίνων, κάτι που θα μπορούσε να εξηγήσει πώς το σύμπαν παρήγαγε περισσότερη ύλη από αντιύλη.
«Το άγχος στην κοινότητα των νετρίνων είναι πολύ χαμηλότερο από ό,τι ήταν την προηγούμενη φορά», λέει η Kate Scholberg, φυσικός νετρίνων στο Πανεπιστήμιο Duke. «Το πρόγραμμα DUNE θα συνεχιστεί τουλάχιστον μέχρι τη δεκαετία του 2030». Ωστόσο, οι ερευνητές σκέφτονται ήδη αναβαθμίσεις στο πείραμα των 2,6 δισεκατομμυρίων δολαρίων, σημειώνει.
Οι αποστολές ολοκληρώθηκαν
| Έργο | Σκοπός | Κατάσταση |
|---|
| Έργο | Σκοπός | Κατάσταση |
|---|---|---|
| Εγκατάσταση νετρίνο μακράς γραμμής/πείραμα νετρίνων βαθειάς υπόγειας | Μελετήστε πώς τα νετρίνα αλλάζουν τύπο καθώς πετούν από το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi (Fermilab) στο Ιλινόις στη Νότια Ντακότα. | Ξεκίνησε η αστική κατασκευή |
| Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων Υψηλής Φωτεινότητας | Η.Π.Α. συνεισφορές σε αναβαθμίσεις στο LHC | Οι εργασίες σχεδιασμού συνεχίζονται |
| Κάμερα για το Παρατηρητήριο Vera C. Rubin | Ελέγχετε ολόκληρο το ημισφαίριο του ουρανού κάθε 3 ημέρες. | Ολοκληρώθηκε |
| Δεύτερης/τρίτης γενιάς ανιχνευτές σκοτεινής ύλης | Ανιχνευτές κλίμακας τόνου για σωματίδια σκοτεινής ύλης. | Εκτελείται/υπό κατασκευή |
| Πείραμα υποβάθρου κοσμικών μικροκυμάτων επόμενης γενιάς | Δίκτυο τηλεσκοπίων για τη μελέτη της μεγάλης έκρηξης μετά τη λάμψη | Οι εργασίες σχεδιασμού συνεχίζονται |
| Φασματοσκοπικό όργανο σκοτεινής ενέργειας | Τηλεσκόπιο για τη μελέτη της κατανομής των γαλαξιών και την ανίχνευση της σκοτεινής ενέργειας που εκτείνεται στο διάστημα | Εκτελείται |
| Πειράματα νετρίνων βραχείας γραμμής | Μελετήστε τις ιδιότητες των νετρίνων σε πειράματα στο Fermilab. | Υπό κατασκευή |
| Σχέδιο Βελτίωσης Proton II | Νέος γραμμικός επιταχυντής για αύξηση της ισχύος του συγκροτήματος Fermilab | Οι εργασίες σχεδιασμού συνεχίζονται |
Σε άλλους τομείς, το μέλλον φαίνεται λιγότερο σίγουρο. Την τελευταία φορά, για παράδειγμα, οι επιστήμονες είχαν ένα αρκετά σαφές μονοπάτι προς τα εμπρός στην αναζήτησή τους για σωματίδια σκοτεινής ύλης - το μέχρι στιγμής άγνωστο υλικό που φαίνεται να διαπερνά τους γαλαξίες και να τους δένει με τη βαρύτητα του. Οι ερευνητές είχαν κατασκευάσει μικρούς υπόγειους ανιχνευτές που έψαχναν για το σήμα ασθενώς αλληλεπιδρώντων μαζικών σωματιδίων (WIMPs), του κορυφαίου υποψήφιου για τη σκοτεινή ύλη, που προσκρούουν σε ατομικούς πυρήνες. Το προφανές σχέδιο ήταν να επεκταθούν οι ανιχνευτές στην κλίμακα τόνου.
Τώρα, δύο πολυτονικοί ανιχνευτές WIMP είναι υπό κατασκευή. Αλλά μέχρι στιγμής τα WIMP δεν έχουν εμφανιστεί και η περαιτέρω κλιμάκωση αυτής της τεχνολογίας "πιθανώς δεν θα λειτουργεί πολύ καλά πια", λέει η Marcelle Soares-Santos, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Michigan, Ann Arbor. «Οπότε πρέπει να σκεφτούμε λίγο περισσότερο έξω από το κουτί». Οι ερευνητές εξετάζουν τώρα ένα κυνήγι για άλλους τύπους σωματιδίων σκοτεινής ύλης, χρησιμοποιώντας νέους ανιχνευτές που εκμεταλλεύονται τα κβαντομηχανικά αποτελέσματα για να επιτύχουν εξαιρετικά επίπεδα ευαισθησίας.
Ένα διαχρονικό ερώτημα για το πεδίο είναι ποιος θα είναι ο επόμενος μεγάλος επιταχυντής σωματιδίων. Η προφανής ανάγκη είναι ένα που πυροδοτεί ηλεκτρόνια σε ποζιτρόνια για να εκτοξεύσει άφθονα μποζόνια Higgs και να μελετήσει λεπτομερώς τις ιδιότητές τους, λέει ο Meenakshi Narain, φυσικός στο Πανεπιστήμιο Brown. Αλλά τα πιθανά σχέδια ποικίλλουν. Οι φυσικοί στην Ιαπωνία συζητούν ένα τέτοιο εργοστάσιο Higgs με τη μορφή ενός γραμμικού επιταχυντή ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων μήκους 30 χιλιομέτρων. Εν τω μεταξύ, το CERN έχει ξεκινήσει μια μελέτη για έναν κυκλικό επιταχυντή μήκους 80 έως 100 χιλιομέτρων. Η Κίνα έχει σχέδια για έναν παρόμοιο κυκλικό επιταχυντή.
Ωστόσο, ο Vladimir Shiltsev, ένας επιταχυντής φυσικός στο Fermilab, λέει ότι αυτές δεν είναι οι μόνες πιθανές επιλογές. «Η πραγματική εικόνα είναι πολύ πιο σκοτεινή». Οι διοργανωτές της χιονόμαζας έχουν λάβει τουλάχιστον 16 διαφορετικές προτάσεις για επιταχυντές, συμπεριλαμβανομένης μιας που θα συνέτριβε τα μιόνια - πιο βαριά, ασταθή ξαδέρφια ηλεκτρονίων - και μια άλλη που θα χρησιμοποιούσε φωτόνια. Οι συμμετέχοντες στο Snowmass θα πρέπει να εξετάσουν όλες τις επιλογές, λέει ο Shiltsev.
Ο Joe Lykken, αναπληρωτής διευθυντής έρευνας του Fermilab, προτείνει ότι οι φυσικοί θα μπορούσαν ακόμη και να πιέσουν το DOE να υποστηρίξει ένα τεράστιο πείραμα που δεν έχει καμία σχέση με σωματίδια:έναν ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων επόμενης γενιάς, κυματισμοί στο χωροχρόνο όταν εκτοξεύονται τεράστια αντικείμενα όπως οι μαύρες τρύπες σπειροειδή το ένα μέσα στο άλλο. Η ανακάλυψή τους το 2015 από το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων συμβολόμετρου λέιζερ (LIGO) άνοιξε ένα νέο παράθυρο στο σύμπαν.
Το LIGO αποτελείται από δύο οπτικά όργανα σχήματος L με βραχίονες μήκους 4 χιλιομέτρων στη Λουιζιάνα και την Ουάσιγκτον. κατασκευάστηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών. Η επόμενη γενιά επίγειων ανιχνευτών θα μπορούσε να είναι 10 φορές μεγαλύτερη και θα μπορούσε να ταιριάζει καλύτερα στην DOE, η οποία ειδικεύεται σε επιστημονικά μεγάλα έργα, λέει ο Lykken. "Αρχίζει να ακούγεται σαν κάτι που θα ενδιέφερε η DOE και ίσως απαιτείται", λέει.
Κατά τη διάρκεια του επόμενου έτους, οι συμμετέχοντες στο Snowmass θα μεταδώσουν τις περισσότερες από 2000 ιδέες που έχουν ήδη προτείνει οι ερευνητές σε περιλήψεις δύο σελίδων. Στη συνέχεια, ένα νέο P5 θα διαμορφώσει ένα νέο σχέδιο. Όποιες ιδέες κι αν έχουν οι επιστήμονες, για να εκτελέσουν το νέο τους σχέδιο θα πρέπει να διατηρήσουν την αρμονία που τα τελευταία χρόνια έχει κάνει τη διαδικασία σχεδιασμού τους υπόδειγμα σε άλλους τομείς. «Το να είμαστε ενωμένοι είναι ο νέος κανόνας για εμάς», λέει χλευαστικά ο Jim Siegrist, αναπληρωτής διευθυντής της DOE για τη φυσική υψηλής ενέργειας. "Έτσι πρέπει να συνεχίσουμε να κρατάμε το καπάκι της διχασμού και αυτό θα είναι μια πρόκληση."
