Jak przełamać impas w fizyce?
Model Standardowy został wielokrotnie potwierdzony, także w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), ale nie jest spełnieniem wszystkich oczekiwań fizyki. Nie potrafi wyjaśnić takich tajemnic, jak istnienie ciemnej materii czy ciemnej energii, lub też ustalić, dlaczego grawitacja tak bardzo różni się od innych podstawowych sił.
W nauce tradycyjnie stosowanym na takie problemy sposobem potwierdzenia lub obalenia tych hipotez jest zebranie większej ilości danych - w tym przypadku pochodzących z lepszych teleskopów i mikroskopów oraz, być może, z zupełnie nowego, jeszcze większego superzderzacza, który stworzy szansę na wykrycie cząstek supersymetrycznych.
W 2012 r. Instytut Fizyki Wysokiej Energii Chińskiej Akademii Nauk ogłosił plan budowy wielkiego superzderzacza. Planowany Zderzacz Elektronowo-Pozytonowy (CEPC) miałby mieć obwód o długości ok. 100 km, czyli prawie czterokrotnie więcej niż LHC (1). Niejako w odpowiedzi, w 2013 r. operator LHC, czyli CERN, ogłosił swój plan stworzenia nowego urządzenia do zderzania, nazwanego Future Circular Collider (FCC).
Naukowcy i inżynierowie zastanawiają się jednak, czy przedsięwzięcia te będą warte gigantycznych nakładów. Chen-Ning Yang, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki cząstek, trzy lata temu we wpisie na blogu krytykował poszukiwanie śladów supersymetrii za pomocą nowego superzderzacza, nazywając to "grą w zgadywanie". Bardzo drogie zgadywanie. Wtórowało mu w Chinach wielu uczonych, zaś w Europie w podobnym tonie luminarze nauki wypowiadali się o projekcie FCC.
- Jeśli mieliśmy dobre powody, by sądzić, że w planowanych zakresach energetycznych zderzeń znajdziemy nowe cząstki, to z pewnością powinniśmy się na to zgodzić - powiedziała serwisowi Gizmodo Sabine Hossenfelder, fizyk z Instytutu Badań Zaawansowanych we Frankfurcie. - Możliwe, że zbudujemy nowe urządzenie, a ono zmierzy nową stałą i da nam nową wartość liczbową. Dla naukowców będzie to godnym osiągnięciem, ale dla ludzi, którzy muszą płacić za to rachunek, pewnie niekoniecznie.
Krytycy projektów budowy kolejnych potężniejszych zderzaczy zwracają uwagę, że sytuacja jest już inna, niż wtedy gdy budowano LHC. Wówczas wiadomo było, że szukamy chociażby bozonu Higgsa. Teraz cele są mniej sprecyzowane. A cisza w wynikach eksperymentów przeprowadzonych przez zmodernizowany pod odkryciu Higgsa Wielki Zderzacz Hadronów - gdy od 2012 r. nie pojawiły się żadne przełomowe odkrycia - jest co nieco złowieszcza.
Do tego dochodzi znany, choć może nie każdemu, fakt, że wszystko co wiemy o wynikach eksperymentów w LHC pochodzi z analizy zaledwie ok. 0,003% zdobytych wtedy danych. Więcej po prostu nie umieliśmy przetworzyć. Nie da się wykluczyć, że odpowiedzi na dręczące nas wielkie pytania fizyki są już zawarte w tych 99,997%, których nie zbadaliśmy. Może więc trzeba nie tyle budować kolejną wielką i drogą maszynę, ile znaleźć sposób na analizę znacznie większej liczby informacji?
Warto się nad tym zastanowić, zwłaszcza że fizycy mają nadzieję, iż wycisną z maszyny jeszcze więcej. Dwuletnia przerwa (tzw. Long Shutdown 2), która zaczęła się niedawno, utrzyma zderzacz w stanie bezczynności aż do 2021 r., co umożliwi przeprowadzenie prac konserwacyjnych (2). LHC zacznie następnie pracować przy podobnych lub nieco wyższych energiach, po czym w roku 2023 r. zostanie poddany gruntownej modernizacji, której zakończenie planowane jest na rok 2026.
Modernizacja ta będzie kosztowała miliard dolarów (tanio w porównaniu z planowanym kosztem FCC), a jej celem ma być stworzenie tzw. High Luminosity-LHC. Do 2030 r. może to nawet dziesięciokrotnie zwiększyć liczbę zderzeń produkowanych przez maszynę na sekundę.
Era neutrin
Jedną z cząstek, które nie zostały wykryte w LHC, choć na to liczono, jest WIMP (Weakly Interacting Massive Particles - słabo oddziałujące masywne cząstki). Chodzi o hipotetycznie ciężkie cząstki (10 GeV/c² do kilku TeV/c², podczas gdy masa protonu wynosi nieco mniej niż 1 GeV/c²), oddziałujące z widzialną materią z siłą porównywalną do oddziaływań słabych. Miałyby wyjaśniać tajemniczą enigmatyczną masę zwaną ciemną materią, której jest we Wszechświecie pięć razy więcej niż materii zwykłej.
W LHC na WIMP-y w owych 0,003% danych z eksperymentów nie natrafiono. Są jednak służące temu tańsze metody - np. eksperyment XENON-nT (3), czyli ogromna kadź z płynnym ksenonem głęboko pod ziemią we Włoszech, będąca w trakcie wprowadzania do sieci badawczej. W innej ogromnej kadzi ksenonu, LZ w Południowej Dakocie, rozpoczną się poszukiwania już w roku 2020.
Kolejny eksperyment złożony z superczułych, ultrazimnych detektorów półprzewodnikowych, o nazwie SuperCDMS SNOLAB, rozpocznie pobieranie danych w Ontario na początku 2020 r. Rośnie więc szansa na "schwytanie" w końcu owych tajemniczych cząstek w latach 20. XXI wieku.
WIMP-y nie są jedynymi kandydatami w dziedzinie ciemnej materii, na których naukowcy polują. Zamiast nich w eksperymentach mogą pojawić się alternatywne cząstki zwane aksjonami, niedające się zaobserwować bezpośrednio - podobnie jak neutrina.
Bardzo prawdopodobne, że kolejna dekada należeć będzie właśnie do odkryć związanych z neutrinami. To jedne z najobficiej występujących we Wszechświecie cząstek. Zarazem jedne z najtrudniejszych do badania, bo neutrino bardzo słabo oddziałuje z regularną materią.
Naukowcy wiedzą od pewnego czasu, że cząstka ta występuje w trzech oddzielnych tzw. smakach i trzech oddzielnych stanach masowych - ale te nie odpowiadają w pełni smakom, a każdy smak jest kombinacją trzech stanów masowych, co wynika z mechaniki kwantowej. Badacze mają nadzieję poznać dokładne wartości owych mas i to, w jakiej kolejności pojawiają się one w momencie, gdy łączą się, aby stworzyć każdy smak. Eksperymenty, takie jak np. KATRIN w Niemczech, mają w najbliższych latach zebrać dane potrzebne do określenia tych wartości.
Neutrina mają dziwne właściwości. Podróżując np. przez przestrzeń, wydają się oscylować pomiędzy smakami. W najbliższym okresie spróbują zrozumieć tę oscylację specjaliści z Jiangmen Underground Neutrino Observatory w Chinach, które już w przyszłym roku ma rozpocząć zbieranie danych na temat neutrin emitowanych z pobliskich elektrowni jądrowych.
Projektem podobnego typu jest Super-Kamiokande, w ramach którego od dawna prowadzone są obserwacje w Japonii. Stany Zjednoczone rozpoczęły budowę własnych ośrodków do badania neutrin - LBNF w Illinois oraz eksperyment głębokich neutrin podziemnych DUNE w Południowej Dakocie.
Finansowany przez wiele krajów projekt LBNF/DUNE o wartości 1,5 mld dolarów ma ruszyć w 2024 r., uzyskując do 2027 r. pełną operacyjność. Inne eksperymenty przeznaczone do odkrywania neutrinowych tajemnic to PROSPECT, w Oak Ridge National Laboratory w Tennessee, oraz Short-Baseline Neutrino Program, w Fermilab, w stanie Illinois.
Z kolei w projekcie Legend-200, którego inaugurację zaplanowano na 2021 r., poszukiwać się będzie zjawiska nazwanego bezneutrinowym podwójnym rozpadem beta. Zakłada się, że dwa neutrony z jądra atomu rozpadają się w nim jednocześnie na protony, z których każdy wypluwa elektron i neutrino, stykające się z drugim neutrinem i anihilujące.
Gdyby taka reakcja istniała, stanowiłaby dowód, że neutrina są ich własną antycząsteczką, pośrednio wzmacniając inną teorię dotyczącą wczesnego Wszechświata - wyjaśniającą, dlaczego istnieje więcej materii niż antymaterii.
Fizycy chcą też wreszcie przymierzyć się do badania tajemniczej ciemnej energii przenikającej kosmos i napędzającej ekspansję Wszechświata. Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) rozpoczął działanie dopiero w ubiegłym roku, zaś w roku 2020 ma zostać uruchomiony Large Synoptic Survey Telescope w Chile, pilotowany przez National Science Foundation/Department Of Energy - pełny program badawczy z udziałem tego sprzętu powinien ruszyć w 2022 r.
Z kolei Teleskop Jamesa Webba (4), który miał stać się wydarzeniem mijającej dekady, ostatecznie zostanie zapewne bohaterem dwudziestolecia. Oprócz przewidzianych poszukiwań egzoplanetarnych dołoży on cegiełkę do badań ciemnej energii, obserwując galaktyki i zachodzące w nich zjawiska.
O co będziemy pytać
Zdroworozsądkowo patrząc, kolejna dekada w fizyce nie okaże się udana, jeśli za dziesięć lat zadawać będziemy te same pytania bez odpowiedzi. Znacznie lepiej stanie się, gdy zyskamy upragnione odpowiedzi, ale i pojawią się zupełnie nowe pytania, bo na sytuację, w której fizyka powie "nie mam więcej pytań", nie możemy liczyć, nigdy.
Mirosław Usidus
