Lihat, dengar, pelajari alam semesta

Lihat, dengar, pelajari alam semesta

Vladimir Blinov
"Sains tangan pertama" №5-6 (71-72), 2016

Dua lubang hitam bergabung menjadi satu. Kredit Imej: SXS, projek Simulasi eXtreme Spacetimes (black-holes.org)

Mengenai pengarang

Vladimir Evgenievich Blinov – Doktor Sains Fizikal dan Matematik, Ketua Makmal Institut Fizik Nuklear. GI Budker dari Cawangan Siberia dari Akademi Sains Rusia (Novosibirsk), Profesor Jabatan Pemasangan Elektroisikal dan Percepatan Universiti Teknikal Negeri Novosibirsk, Profesor Jabatan Fizik Partikel Universiti Negeri Novosibirsk. Pengarang dan pengarang bersama lebih daripada 500 penerbitan saintifik.

Dalam beberapa dekad kebelakangan ini, penyelidikan dalam fizik zarah-zarah asas telah ditandai dengan kemenangan Model Piawaian yang disebut – teori bersatu mengenai interaksi elektromagnetik dan lemah, yang telah bertahan dengan ujian eksperimen yang banyak dan lebih tepat selama bertahun-tahun. Penemuan bos bos Higgs di Collier Hadron Besar (LHC) baru-baru ini di CERN adalah satu lagi demonstrasi yang jelas mengenai kuasa teori ini. Sebaliknya, interaksi yang kuat dijelaskan dengan sempurna oleh kromodinamik kuantum, dan satu-satunya masalah adalah untuk menjalankan pengiraan dalam rangka teori ini pada tenaga yang rendah.Malangnya, masih tiada teori kuantum interaksi graviti, kerana, sebenarnya, tidak ada kesan graviti kuantum yang diperhatikan secara eksperimen. Atas sebab ini, gambaran teori dunia yang sedia ada tidak lengkap dan penyelewengan percubaan dari pengiraan dalam model-model ini harus dipatuhi, dan harus ada proses yang tidak ada dalam Model Standard dan kromodinamika kuantum. Fenomena tersebut dipanggil Fizik Baru. Ini termasuk: nilai lebihan nilai eksperimen momen magnetik muon terhadap muon atas ramalan teori, kewujudan ayunan neutrino; masalah yang berkaitan dengan spektrum zarah yang kuat berinteraksi dan sifat interaksi di antara mereka.

Projek Universiti Negeri Novosibirsk, yang ditujukan untuk masalah ini, atau, seperti yang dipanggil, unit akademik strategik (CAE) "Fizik Baru" adalah salah satu "mutiara" utama kalung "ilmiah" universiti.

Nebula planet "Rama-rama" (menurut katalog baru – NGC 6302). Gambaran dari Teleskop Angkasa Hubble, 2009. Kredit: NASA / ESA / Hubble

Di dalam rangka model sedia ada, adalah mustahil untuk menjelaskan komposisi yang diamalkan oleh alam semesta yang diuji secara eksperimen: kenapa ia terdiri dari materi, dan antimatter tidak praktikal, apa sifat gelap dan tenaga gelap.

Cari dalam rangka SAE "Fizik Baru" dijalankan selari dengan beberapa cara. Satu bahagian yang ketara dari usaha ini masuk ke dalam astrofisika zarah-zarah asas: ini adalah eksperimen neutrino, mencari bahan gelap, kajian sifat sinar kosmik, dan kajian-kajian lain. Walau bagaimanapun, sehingga kini, sumber utama maklumat mengenai fizik zarah-zarah asas adalah eksperimen pada pemecut, khususnya pada pemecut dengan balok bertembung, yang dikenali sebagai pelanggar.

Pengesahan ketepatan Model Standard adalah berdasarkan eksperimen yang dilakukan pada sumber-sumber pengikat, pemecut dan reaktor neutrino. Pada masa yang sama, ia mengikuti pemerhatian astrofizikal bahawa bentuk-bentuk bahan yang diketahui yang diterangkan oleh Model Standard merupakan hanya kira-kira 4% daripada jisim Alam Semesta, baki 96% adalah bahan gelap (22%) dan tenaga gelap (74%). Kewujudan materi gelap, yang terdiri daripada zarah-zarah yang tidak relativistik sifat yang tidak diketahui, adalah tidak diragukan lagi, tetapi pendaftaran mereka adalah perkara yang sangat rumit, dan tugas ini belum diselesaikan.Sangat sedikit diketahui tentang sifat-sifat zarah zat gelap. Mereka boleh menjadi sangat berat – dan kemudian untuk kelahiran mereka adalah perlu untuk membina colliders dengan tenaga yang lebih tinggi, dan sangat ringan. Contohnya, secara teori meramalkan neutrino steril atau paksi boleh menjadi zarah-zarah gelap. Antara zarah supersymmetric hypothetical yang cuba mengesan dalam eksperimen di Large Hadron Collider di CERN adalah calon yang sesuai untuk peranan zarah materi gelap. Pada masa ini, beberapa eksperimen sedang dijalankan ke atas pendaftaran langsung zarah-zarah materi gelap asal kosmik menggunakan pengesan bawah tanah, tetapi hasilnya masih bercanggah. Walau bagaimanapun, untuk menyiasat dan memahami secara terperinci sifat zarah zarah gelap hanya boleh dilakukan pada pemecut, yang tenaganya mencukupi untuk kelahiran zarah tersebut. Dalam keadaan ini, pencarian calon-calon untuk zarah-zarah gelap mesti dilakukan dalam semua bidang penyelidikan yang mungkin.

Susun atlas ATLAS dan CMS pada cincin Hadron Collider Besar. © CERN

Pada dasarnya, fizik zarah asas, astrofizik dan kosmologi mempunyai matlamat yang sama – kajian alam semesta,mencari jawapan kepada soalan-soalan yang paling asas: bagaimana alam semesta berasal, apa yang terdiri daripada dan apa undang-undang alam memerintahnya. Proses pengetahuan tidak boleh dihentikan, tetapi kaedah menjalankan penyelidikan mungkin berbeza. Adalah jelas bahawa strategi yang tepat adalah untuk menjalankan penyelidikan pelengkap di semua kawasan yang menjanjikan, kerana adalah mustahil untuk meramalkan tepat di mana penemuan menanti kita!

Secara bersejarah, Cawangan Siberia dari Akademi Sains Rusia tidak menjalankan penyelidikan dalam bidang astrofisika dan kosmologi, dan, sebagai hasilnya, NSU tidak melatih pakar dalam bidang sains yang berkembang pantas ini. Mewujudkan SAE "Fizik Baru", kami ingin memperbaiki jurang ini dan menganjurkan kursus penyelidikan dan pendidikan saintifik (dalam kursus siswazah dan pascasiswazah) di Astrophysics dan Cosmology di NSU, menggunakan kedudukan kukuh kami dalam fizik zarah.

Seksyen silang pengesan CMS terbuka. Blok elemen sensitif pengesan dan magnet kelihatan. © CERN

Bekerja di arah ini bermula di NSU sebelum permulaan program 5-100. Pada tahun 2011, NSU menerima geran mega daripada kerajaan Rusia,dan di Fakulti Fizik, makmal kosmologi dan zarah asas dicipta di bawah bimbingan Profesor Alexander D. Dolgov dari Universiti Ferrara (Itali). Makmal terlibat dalam mencari bahan gelap, penyelesaian masalah tenaga gelap, asimetri baryon Alam Semesta, dan latihan pakar dalam bidang kosmologi dan astrofizik. Pengesan sedang dibina untuk mengesan zarah benda gelap. Menghairankan, tetapi fizik zarah asas – sains bagaimana dunia berfungsi pada jarak terkecil, dan astrofizik – sains bagaimana dunia berfungsi pada jarak yang sangat besar, berkait rapat. Untuk menjelaskan sifat-sifat dan komposisi Alam Semesta, pengetahuan dari fizik zarah asas diperlukan, dan untuk membina teori graviti kuantum, data eksperimen diperlukan, yang hanya boleh didapati dari eksperimen astrofizik, kerana tidak mungkin untuk membina pemecut di bumi dengan tenaga di mana pengaruh kuantum graviti akan diamati. Di samping itu, dalam tahun-tahun kebelakangan ini, teknik dan pengesan yang dibangunkan untuk menjalankan eksperimen dalam fizik zarah asas telah digunakan secara aktif dalam eksperimen astrofizikal.Masyarakat saintis dari kawasan ini semakin bekerjasama dan, akibatnya, mereka bertukar idea dan kaedah penyelidikan. Dalam tahun-tahun kebelakangan ini, tiada siapa yang akan terkejut dengan peralihan pakar dari fizik zarah ke astrofizik. Sejak INP SB RAS secara tradisinya kuat dalam fizik zarah-zarah asas, kita merancang di pangkalan ini untuk membangunkan dalam NSU arahan Astrophysics dan Cosmology di SAE Fizik Baru.

Pereputan zarah, mungkin boson Higgs, dengan jisim 122.6-123.9 GeV menjadi dua elektron dan dua muons. Acara ini didaftarkan oleh pengesan ATLAS pada 18 Jun 2012. Trek Muon ditunjukkan merah, trek elektron – hijau. © CERN

Jumlah eksperimen yang sangat besar dalam fizik zarah dan astrofisika asas dilaksanakan dalam rangka kerjasama antarabangsa. Ini disebabkan fakta bahawa fizik zarah asas dan astrofizik adalah antara yang pertama memasuki fasa globalisasi – bajet eksperimen ini begitu besar sehingga mereka memerlukan penyertaan beberapa negara untuk mengisi mereka. Di samping penumpuan dana, kejayaan percubaan tersebut memerlukan kepekatan para saintis dari seluruh dunia untuk mengekalkan peralatan yang paling kompleks dalam keadaan kerja, memproses data dan menerbitkan hasil penyelidikan.Saya akan perhatikan bahawa bergabung dan bekerja dalam kerjasama antarabangsa tidak begitu mudah kerana orang yang biasa menggunakan topik yang sempit dalam kumpulan kecil percaya. Sukar untuk menyertai kerjasama, bukan setiap kumpulan diterima di sana, dan lebih sukar untuk bekerja di sana. Kemasukan ke kerjasama memerlukan nasihat yang meyakinkan bahawa kumpulan itu mempunyai pengalaman yang mencukupi dalam eksperimen dan kelayakan tersebut, dan untuk menunjukkan apa yang dapat disediakan untuk kejayaan eksperimen tersebut. Ia perlu sentiasa menyumbang kepada kerja eksperimen, untuk melibatkan diri dalam analisis data. Masa yang diperlukan untuk mendapatkan satu keputusan, bergantung kepada kelayakan individu, berbeza dari satu hingga tiga tahun. Artikel saintis yang disediakan tertakluk kepada kajian semula dalaman pelbagai peringkat yang tegar dan hanya selepas itu ia dihantar ke papan editorial jurnal.

Eksperimen NOvA untuk mencari penukaran neutrino muon kepada neutrino elektron. Pengesan 14,000 tan di Ash River (MN). Kredit imej: Fermilab

Salah satu daripada aktiviti pendidikan StrAU "Fizik Baru" ialah kursus pascasiswazah bahasa Inggeris di Astrophysics dan Cosmology.Disebabkan ini, kitaran penuh pakar latihan akan muncul di NSU. Keputusan untuk membuat sekolah siswazah berbahasa Inggeris mengejar dua matlamat: melatih pelajar dari negara-negara Barat, serta pelajar Cina sebagai sebahagian daripada universiti Cina-Rusia bersama yang dicipta oleh NSU dan Universiti Heilongjiang, dan melatih saintis muda Rusia untuk bekerja dalam kerjasama antarabangsa. Di sekolah siswazah, mengajar pakar Rusia dan asing yang mengajar. Hari ini, lapan pelajar sedang belajar di sana, menjelang 2018, kami bercadang untuk meningkatkan jumlah mereka kepada 11 orang.

Satu set teleskop untuk mencari obyek gelap gelap Cerro tololoChile. Kredit imej: Fermilab

Matlamat utama penciptaan "Fizik Baru" SAE adalah menyelenggara institut sains dan pendidikan interdisiplin bertaraf dunia di Fisika Astrophysics, Cosmology dan Fizik Asas di Jabatan Fizik Universiti Negeri Novosibirsk. Oleh itu, institut akan terlibat dalam menjalankan penyelidikan asas dan latihan dalam bidang pengetahuan ini.

Unit akademik strategik "Fizik Baru" di NSU

SAE "Fizik Baru" merangkumi tiga blok bahagian Fakulti Fizik: saintifik, penerapan dan pendidikan. Unit saintifik diwakili oleh Pusat Interdisiplin untuk Fizik Partikel Elemen dan Astrophysics, yang merangkumi 13 makmal yang menjalankan penyelidikan asas dalam fizik zarah asas, astrofizik dan kosmologi. Blok penggunaan CAE termasuk jabatan penyelidikan atmosfera dan makmal: kimpalan rasuk elektron, kaedah analisis radiokarbon, teknologi rasuk elektron dan terapi penangkapan neutron boron. Makmal-makmal blok ini sedang menjalankan tugas-tugas yang digunakan dan pada masa akan datang akan memastikan daya tarikan kepada belanjawan SAE pembiayaan luaran yang diperlukan untuk kerja-kerja CAE selepas program 5-100 telah terhenti. Unit pendidikan dibentuk dari lima jabatan Fakulti Fizik: fizik zarah asas, fizik pemecut, informatik kejuruteraan fizikal, radiofisika, fizik plasma, dan kajian pascasiswazah bahasa Inggeris ke arah Astrophysics.

Lapan belas makmal, lima jabatan Fakulti Fizik NSU, yang merupakan sebahagian daripada CAE,mengambil bahagian dalam tiga belas projek saintifik antarabangsa yang besar – eksperimen dalam bidang fizik tenaga tinggi, astrofizik dan fizik sinar kosmik, menjalankan penyelidikan dan melatih pakar dalam bidang berikut.

Astrofisika, kosmologi dan sinaran kosmik. Kajian teori mengenai sifat-sifat bahan gelap dan tenaga gelap, kemungkinan pemerhatian eksperimen langsung mereka. Penciptaan pengesan avalanche cryogenic dua fasa dalam argon untuk pendaftaran bahan gelap sedang dijalankan. Penyertaan dalam eksperimen DarkSide-20K (Gran Sasso, Itali) untuk mencari perkara gelap. Juga, ketidakstabilan graviti dalam model graviti yang diubahsuai secara teorinya disiasat, analisis manifestasi pemerhatian objek dari antimatter, fizik supernova dan penerapannya kepada masalah kosmologi dijalankan.

Eksperimen pada collator elektron-positron. Penyertaan dalam menjalankan eksperimen dan data pemprosesan dari pengesan BaBar (USA), BELLE (Jepun), BESIII (PRC). Program penyelidikan merangkumi kajian sifat-sifat fermions asas – tau lepton, c- dan c-quarks yang baik, pelanggaran CP.

Percubaan pada collater hadron. Penyertaan dalam eksperimen ATLAS, CMS dan LHCb di Collider Hadron Besar di Pusat Penyelidikan Fizikal Eropah (CERN) dan penyediaan eksperimen dengan pengesan PANDA di kompleks penyimpan akselerator FAIR (Jerman). Tugas fizikal utama adalah kajian sifat-sifat boson Higgs dan mencari fenomena fizikal baru (di luar rangka Model Standard), seperti zarah supersymmetric, kajian sifat-sifat c- dan b-quarks, pelanggaran CP.

Cari fenomena fizikal baru dalam eksperimen dengan rasuk muon. Penyertaan dalam eksperimen COMET di kompleks penyimpanan akselerator-J-PARC (Jepun) dalam mencari proses menukarkan muon ke dalam elektron apabila berinteraksi dengan nukleus atom dan dalam percubaan MEG di PSI (Switzerland) dalam mencari pembusukan muon ke dalam foton dan elektron. Dalam Model Standard, kebarangkalian proses ini sangat kecil sehingga tidak dapat dilihat secara eksperimen. Oleh itu, pengesanan tindak balas ini dengan jelas bermakna penemuan Fizik Baru di luar rangka Standard Model. Penyertaan dalam penyediaan dua eksperimen di Makmal Kebangsaan. E. Fermi (Amerika Syarikat). Percubaan pertama Mu2e adalah mencari proses penukaran muon ke dalam elektron apabila berinteraksi dengan nukleus, percubaan kedua g-2 didedikasikan untuk pengukuran tepat momen magnetik muon.Nilai ini dikira secara teorinya dalam rangka Model Standard. Penyimpangan hasil eksperimen dari pengiraan akan menunjukkan kehadiran Fizik Baru, iaitu zarah-zarah dan interaksi yang tidak diketahui.

Pembangunan pengesan dan pelanggar baru. Penciptaan pengesan "Cherenkov" yang unik berdasarkan pengalih udara yang menumpukan, yang memungkinkan untuk mengukur halaju zarah dengan ketepatan yang tinggi, yang memungkinkan untuk menentukan jenis mereka apabila menganalisis data eksperimen. Pengesan sedemikian dirancang, khususnya, untuk digunakan dalam percubaan PANDA.

Pembangunan generasi baru penjana tenaga yang tinggi – Kompleks penyimpan gas lepton tenaga ultrahigh (pelaras linear dan kitaran dengan tenaga lebih daripada 1 TeV di sistem pusat-massa) di mana elektron-positron, foton foton, foton foton dan muon-anti-muon rasuk (projek antarabangsa ILC, CLIC, FCC-ee, CEPC, dll). Di kemudahan sedemikian, ia mungkin untuk melakukan eksperimen ketepatan untuk mengkaji sifat-sifat W-, Z-, dan H-boson dan menguji Model Standard.

Penggalak industri. Pemecut zarah yang dicaj bukan hanya alat penyelidikan yang paling penting dalam fizik zarah, ia digunakan secara meluas untuk eksperimen dalam bidang pengetahuan dan industri lain. Sebagai contoh, peranti penyimpanan elektron – sumber radiasi sinarrotron – digunakan untuk penyelidikan dalam bidang kimia, biologi, fizik proses gelombang kejutan dan keadaan melampau bahan, sains bahan, dan sebagainya. Accelerators merupakan elemen utama teknologi radiasi yang dituntut dalam industri, perubatan, ekologi, dan sebagainya.

Sastera
1. Rubakov V. A., Gorbunov D. S. Pengenalan kepada teori alam semesta awal. M .: 2008. 552 p.
2. S. Troitsky. Masalah yang tidak dibubarkan fizik zarah asas // UFN. 2012. No. 182. S. 77-103.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: