image
Нейтринный детектор Супер-Камиоканде

Учёный-экспериментатор – профессия часто неблагодарная. Вы читаете новости про эксперименты, закончившиеся великими открытиями, но мало кто слышал о попытках, часто героических, экспериментаторов, которым ещё только предстоит обнаружить или пронаблюдать то, для чего они делались.

Некоторые из попыток тянутся уже десятилетия и видят смену поколений людей, считают их человеко-часы и опыт. Однако отсутствие результата иногда имеет такой же научный смысл, как любое разрекламированное открытие: мы узнаём о том, чем не является реальный мир, или о том, чего в нём нет. С другой стороны, получение некоего позитивного отклика от любого из этих экспериментов имело бы далеко идущие последствия для нашего понимания Вселенной и нашего места в ней.

Вашему вниманию предлагается список из семи идущих в данный момент экспериментов, которым ещё только предстоит найти искомое. Все они удивительны в своей гениальности и амбициозности. Неудивительно, что их стараются продолжать и поддерживать.

Чтобы пролить свет на тёмную материю, заройте в землю ёмкость с жидким ксеноном


Учёные выдвинули теорию, что нити тёмной материи формируют некий скелет, на котором держатся все видимые нами галактики. Каждую из них окружает гало из тёмной материи, обеспечивающее дополнительную гравитацию, объясняющую то, как звёзды вращаются вокруг галактических центров. Но тёмную материю нам ещё только предстоит обнаружить напрямую. Хотя за последние несколько десятилетий было совершено уже множество попыток обнаружить тёмную материю через крайне слабые взаимодействия с обычной материей, все они потерпели неудачу.

Среди различных форм, которые способна принимать тёмная материя, т.н. слабо взаимодействующие массивные частицы (Weakly Interacting Massive Particles, WIMPs) представляют одну из самых интересных возможностей для специалистов по физике частиц. Эксперимент LUX, находящийся более чем в километре под землёй в бывшей шахте в Южной Дакоте, помог очень высоко поднять планку неудач в обнаружении WIMPs. Оборудование представляет собой резервуар с 72 000 тоннами воды высокой чистоты, отфильтровывающей паразитные космические лучи. Внутри него находится треть тонны жидкого ксенона, окружённого датчиками, достаточно чувствительными, чтобы обнаружить свет, испускаемый в результате столкновения тёмной материи с атомами ксенона.

Неудача LUX в обнаружении каких бы то ни было следов тёмной материи привела к апгрейду LUX-Zeplin – к эксперименту, в котором используется почти в 20 раз больше жидкого ксенона, чем в LUX. Найдёт ли новый эксперимент что-нибудь там, где не смог этого сделать LUX – покажет время. Судя по всему, природа любит издеваться над надеждами и ожиданиями учёных.

Чтобы на самом деле увидеть гравитационные волны, оставшиеся от Большого взрыва, изучай разные частоты


Гравитационные волны (гравитационный аналог электромагнитного излучения, или света) со времён Большого взрыва должны были оставить уникальный след в реликтовом излучении, наблюдаемом нами во всех направлениях, и оставшемся после взрыва, создавшего наблюдаемую Вселенную. Оно демонстрирует крохотные флуктуации температуры и поляризации, обеспечивающие нас фотографией гравитационного поля в то самое время – когда Вселенной было 379 000 лет – когда сформировались первые нейтральные атомы водорода. Этот след должен представлять собой вращающуюся поляризационную картину, технический термин для которой – B-моды.

Радость, вызванная объявлением об обнаружении таких В-мод, сделанным в 2014 году группы BICEP/Keck, оказалась преждевременной. То, что казалось первичными гравитационными волнами, оказалось поляризованными частицами пыли на высоких галактических широтах, способной имитировать такую же вращающуюся поляризационную картину, которую должны демонстрировать гравитационные волны.

Несмотря на это, группа BICEP обновилась до конфигурации BICEP3, состоящей из массива из 2500 датчиков (болометров), предназначенных для наблюдения за реликтовым излучением на гораздо более низких частотах, чем её предыдущая версия. Десять лет наблюдений при помощи разных версий телескопа BICEP не привели к обнаружению В-мод первичных гравитационных волн, но поиски не собираются останавливать – соревнование за обнаружение их первыми только разогревается.

Чтобы узнать, объединяются ли сильные ядерные и электрослабые взаимодействия, ищи «сверхзвуковой хлопок» у света


Стандартная модель физики частиц – кульминация десятилетий взаимодействия теории и эксперимента, от зарождения квантовой механики до предположений о том, что слабое ядерное взаимодействие (отвечающее за определённые типы радиоактивного распада) и электромагнетизм – это разные аспекты одного «электрослабого» взаимодействия. Электромагнитное и слабое взаимодействия только кажутся нам разными в масштабе типичного лабораторного эксперимента, поскольку поле Хиггса – придающее массу взаимодействующим с ним частицам – прячет симметрию, присущую этим двум взаимодействиям.

В стандартной модели есть ещё одно, сильное ядерное взаимодействие, которое должно объединиться с электрослабым на энергиях в триллион раз выше тех, что мы можем достичь в ЦЕРН, в «Великом объединении». Одно из его предсказаний состоит в том, что протон перестаёт быть стабильным и может распадаться на другие частицы – пионы и позитроны – хотя и достаточно редко, так, что период полураспада может быть больше в сотню триллионов триллионов раз, чем текущий возраст Вселенной.

Супер-Камиоканде – и планируемое обновление, Гипер-Камиоканде – расположен в километре под горой в лаборатории Камиока в центральной Японии. Этот эксперимент ищет, среди прочего, признаки таких чрезвычайно редких распадов протона в нереального размера ёмкостях сверхчистой воды. Сканируя пространство в поисках неярких вспышек света, известных, как излучение Черенкова – оптический эквивалент сверхзвукового хлопка — Супер-Камиоканде ищет частицы с высокой энергией, на которые распадается протон.

image
Излучение Черенкова в активной зоне передового испытательного реактора в национальной лаборатории Айдахо

Пока ничего не обнаружено. Но Гипер-Камиоканде, чья планируемая чувствительность будет в 10 раз больше, должен начать наблюдения уже в 2020 году.

Для проверки суперсимметрии зондируйте нейтрон


Стандартная модель физики частиц предсказывает, что у нейтрона – который, вместе с протоном, составляет содержимое атомного ядра – есть чрезвычайно малый электрический дипольный момент (ЭДМ), фиксированное расстояние, разделяющее два противоположных заряда. Именно из-за его малой величины, скорее всего, его до сих пор не обнаружили. Но теории, дополняющие Стандартную модель суперсимметрией – гипотетической эквивалентностью взаимодействий и вещества – обычно предсказывают ЭДМ, в 100 000 раз больший, чем предсказывает СМ.

Введя ограничения на величину ЭДМ нейтрона, можно проверить, присутствует ли в природе суперсимметрия, способом более строгим, чем можно достичь, ускоряя частицы в коллайдерах. Эксперимент CryoEDM как раз пытается сделать это в Институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле, Франция. Наблюдая разницу в прецессии спина очень медленных нейтронов – то есть, в изменении ориентации оси вращения – в присутствии магнитных и электрических полей, можно точно измерить ЭДМ нейтрона, если он есть, поскольку от его наличия зависит скорость прецессии.

К тому времени, когда CryoEDM достигнет своей расчётной чувствительности, он сможет исключить или подтвердить наличие суперсимметрии. Наблюдение ЭДМ будет соблазнительным доказательством присутствия в природе суперсимметрии, поскольку значение, предсказываемое Стандартной моделью, слишком мало для обнаружения с текущей чувствительностью экспериментов.

Чтобы заметить дополнительные измерения, присмотритесь к гравитации


Если дополнительные измерения существуют, они могут влиять на работу гравитации на сверхмалых расстояниях. Они не только подразумевают наличие отклонений от обычного закона обратных квадратов ньютоновской гравитации, но и подразумевают существование новых сил, действующих на коротких дистанциях сравнимо с гравитацией, нарушающих т.н. принцип эквивалентности. Принцип постулирует, что вся материя – пушечное ядро, яблоко – падает в заданном гравитационном поле одинаково. А особенности дополнительных измерений состоят в том, что поля, контролирующие размер дополнительных измерений, имитируют гравитацию, но только на очень коротких расстояниях, и при этом действуют различно на разные виды материи.


Учёные предположили, что дополнительные измерения могут иметь вид 6-мерного многообразия Калаби-Яу, что и привело к появлению идеи зеркальной симметрии

Хотя общая теория относительности Эйнштейна была тщательно проверена на масштабах от Солнечной системы до Вселенной, исследователи только недавно приступили к её проверке на субмиллиметровых масштабах.

Используя точно откалиброванные крутильные весы, группа Эт-Ваш [Eot-Wash collaboration] (названная в честь барона фон Этвёша, ставившего первые подобные эксперименты в начале ХХ века и города Вашингтон) из Вашингтонского университета ищет нарушения принципа эквивалентности – в дополнение к отклонениям от закона обратных квадратов – на масштабах, приближающихся к 100 000-м долям метра. Пока что не было найдено никаких модификаций для законов Ньютона или принципа эквивалентности, что говорит о том, что если и существуют дополнительные измерения, то они в свёрнутом состоянии намного меньше, чем несколько десятых долей микрона.

Для наблюдения космологических «тёмных веков», настройтесь на слабый радиосигнал


В истории Вселенной была эпоха, о которой известно сравнительно мало – это так называемые тёмные века. Это эра после рекомбинации, после того, как сформировались первые нейтральные атомы водорода, и до того, как начали светить первые звёзды.

Атом водорода сам по себе ничего особенного не излучает. Но, подобно планете, двигающейся по орбите вокруг Солнца, также вращающегося вокруг своей оси, одиночный электрон, вращающейся вокруг ядра водорода, «вращается» вокруг своей оси, которая направлена в ту же, или в противоположную сторону относительно его движения по орбите. В последнем случае энергии у него меньше.

Небольшая часть нейтрального водорода, в тёмные века подсвеченного реликтовым излучением, была возбуждена и перешла в состояние с более высокой энергией и одинаковой направленностью. И после перехода этих возбуждённых атомов к состоянию с низкой энергией и разнонаправленной конфигурацией они излучают сигнал на частоте 1,4 ГГц, соответствующей очень слабому радиосигналу с длиной волны в 21 см. Обнаружение 21-см фонового излучения позволит нам заглянуть в тёмные века.

Телескоп Low Frequency Array (LOFAR) – это массив из 20 000 фазовых антенн, расположенных в Европе (по большей части в Нидерландах), заглядывающих в космос с 2012 года в надежде обнаружить этот слабый сигнал. Но Земля, и Галактика, в которой она находится – это очень шумные места, и пока что у нас не получалось обнаружить сигнал из тёмных веков, преодолевающий местный шум. Разрабатываются амбициозные планы по созданию международного массива Square Kilometer Array (SKA), но пока что тёмные века остаются тёмными.

Чтобы найти инопланетян, просто не переставайте прислушиваться


Обнаружение убедительных доказательств существования иной разумной жизни во Вселенной станет переломным моментом в жизни нашей цивилизации. Коллективные усилия, состоящие из большого числа экспериментов, были направлены на поиски внеземных сигналов разумных цивилизаций почти столько же, сколько существует радио. Идея в том, что искусственные радиосигналы можно отличить от естественных (астрофизических) источников, из-за их узкого частотного диапазона и повторяющейся природы, как это происходит с человеческими радиопередачами. Соблазнительный кандидат на такой сигнал был обнаружен в 1977 году, хотя с тех пор его не видели, и нельзя исключать возможность его естественного происхождения.


Обсерватория Аресибо в Пуэрто-Рико участвует в поиске внеземного разума

Эксперимент SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) идёт с использованием различных радиотелескопов, включая Антенную решётку Аллена, которую недавно снабдили технологией, обычно использовавшейся для поиска экзопланет. Учёные также настроили её на поиск возможных инопланетных мегаструктур, существование которых предположил физик Фриман Дайсон. Развитые цивилизации могут строить такие структуры для непосредственного сбора энергии звезды. И несмотря на то, что за десятки лет ничего обнаружено не было, коллективные поиски внеземного разума оборудованы сейчас лучше, чем когда бы то ни было. Они принимают меры по поводу беспокойства Артура Кларка, выраженного им в знаменитой фразе: «Существуют две возможности: либо мы одиноки во Вселенной, либо нет. Обе они одинаково пугающие».
Поделиться с друзьями
-->

Комментарии (3)


  1. kauri_39
    28.03.2017 21:58
    -4

    Отрицательные результаты при проверке какой-либо теории — это нормально. И первые отрицательные результаты не должны ставить на ней крест. Теорию можно подправить, чтобы она предсказывала другие результаты, которые нужно продолжать искать. Но в таком случае надо сразу вкладываться в разработку альтернативной теории, чтобы в науке сохранялась конкуренция идей.


    Так и происходит с проверкой теории гравитации Эйнштейна. Пока не найдены частицы тёмной материи, вся масса этой гипотетической материи — лишь огромная поправка к его теории, используемой в масштабах галактик и кластеров. К тому же ОТО не работает на квантовом уровне описания мира. Поэтому разрабатываются альтернативные квантовые теории гравитации — петлевая, струнная. Последняя пока не прошла должную проверку — предполагаемые ею суперсимметричные частицы не обнаружены.


    Вот и у меня есть альтернативная "теория гравитации". В кавычках она потому, что я не физик, а философ. Поэтому могу предложить только понимание этого явления, объяснить его, но не описать языком математики. Сознавая это, стараюсь аккуратно использовать физические факты и понятия, не извращая их смысла. Тогда их можно сопоставлять, обобщать и делать выводы, чтобы приблизиться к пониманию природы гравитации. Наверное, только после этого можно описать её адекватно.


    Предлагаю вам проверить логику моих рассуждений по этому вопросу и правильность использования фактов. Прошу для объективности забыть мои прошлые публикации и комментарии, считать меня новичком. Пусть это будет психологическим экспериментом на физическую тему. И развитием темы. Заранее спасибо за указания на логические ошибки, заблуждения и на ляпы, вполне возможные у дилетанта.


    Как известно, частота излучения цезия в атомных часах на поверхности Земли равна 9192631770 периодов в секунду (Гц). Это стандарт длительности секунды. Также известно, что на орбите спутников gps (200000 км от поверхности) излучение тех же атомов повышается до частоты 9192631775 Гц. То есть повышается частота или энергия фотонов, излучаемых цезием.
    Логично предположить, что в космосе повышается и частота/энергия самих атомов цезия, их электронов, но не будем развивать эту тему.


    Нужно выяснить, по какой причине у фотонов в космосе повышается их частота по сравнению с теми же фотонами на поверхности Земли. Найти причину можно двумя путями — с помощью ОТО и с помощью КТП. Поскольку решается вопрос из квантовой физики, следует выбрать второй путь. И представлять пространство, в котором излучаются фотоны, как квантованный энергетически плотный вакуум. Тогда вопрос сформулируем так: что меняется в свойствах этой среды, окружающей массивные тела, и вдали от массивных тел, если на это так реагирует частота фотонов?


    Можно предположить, что меняется плотность энергии вакуума. Вблизи тел она меньше, вдали от тел больше. Но поскольку вакуум постоянно расширяется в соответствии с постоянной Хаббла, то его разная плотность должна отражаться на скорости его расширения. Очевидно, что большая плотность энергии вакуума будет приводить к большей скорости расширения.


    Есть три подтверждения этой мысли. На начальном этапе расширения Вселенной, когда её объём был мал, а концентрация материи – огромной, то противостоять её гравитации могла лишь достаточно большая плотность энергии вакуума, имеющая большую скорость расширения. Она является основной движущей силой Большого взрыва. После быстрого роста объёма этой среды её плотность и скорость расширения снизились.


    Другое подтверждение даёт эффект Казимира. Притяжение пластин в нём объясняется отсутствием между ними виртуальных фотонов, чьи длины волн не кратны зазору между пластинами. То есть – меньшей плотностью энергии вакуума, которая как раз определяется наличием в нём всех возможных виртуальных частиц (нулевых колебаний полей). Внешний, энергетически более плотный вакуум, имея большую скорость расширения, придавливает пластины друг к другу с известной силой.


    Третье подтверждение даёт ОТО. Известно, что энергетическая плотность вакуума или тёмная энергия преобладает во Вселенной, поэтому именно она задаёт плоскостность её пространства в космологических масштабах.
    Мысленно нарисуем в таком пространстве равносторонний треугольник – сумма его углов равна 180. Затем мысленно поместим в его центр массивное тело и пустим из каждого угла луч света вдоль каждой его стороны. Лучи будут следовать уже не евклидовой, а римановой геометрии. Они будут искривляться (линзироваться) массивным телом – загибаться вовнутрь прежнего треугольника и образовывать треугольник с меньшей площадью и с суммой углов большей 180. Такое возможно лишь в том случае, если вакуум внутри треугольника с массивным телом в центре имеет меньшую энергетическую плотность и меньшую скорость расширения, а вакуум вне треугольника – больше то и другое.


    Итак, на снижение частоты/энергии фотонов вблизи массивных тел влияет пониженная там энергетическая плотность вакуума. Повышенная плотность этой среды вдали от тел задаёт повышение частоты фотонов (и других частиц материи). Гравитация может быть следствием снижения плотности энергии вакуума материей тел. Почему – это уже другая, очень спорная тема.


    1. pewpew
      28.03.2017 23:48
      +2

      Частота измеряется в герцах. Что есть отношение колебаний чего-либо во времени.
      Учитывая, что секунда рассчитывается в том числе расстоянием, пройденным фотоном в вакууме, можно предположить, что частота не меняется, а меняется её восприятие вне влияния массы земного притяжения.
      Отрицая теорию относительности Эйнштейна необходимо предложить альтернативное понятие времени, тогда можно будет рассуждать о частоте. А пока одно привязано к другому и никак не отделимо.
      А насчёт несовместимости теорий — тут всё просто. На разных масштабах теории вполне жизнеспособны.
      Это как поверхность земли — кажется плоской, пока не увеличить масштаб.


    1. SLY_G
      29.03.2017 02:23
      +2

      «У меня есть альтернативная теория Х, только я не физик, поэтому проверяйте её сами».

      Новая научная теория должна объяснить все уже известные наблюдаемые явления, а затем сделать проверяемые предсказания. А просто так можно что угодно напридумывать — но смысл?