7 σημαντικά πειράματα που ακόμα δεν έχουν βρει αυτό που ψάχνουν

Το να είσαι πειραματικός επιστήμονας μπορεί μερικές φορές να φαίνεται σαν ένα άχαρο έργο. Μπορεί να έχετε συνηθίσει να διαβάζετε τίτλους για πειράματα που καταλήγουν να κάνουν μεγάλες ανακαλύψεις, αλλά λιγότερα ακούγονται για τις (συχνά ηρωικές) προσπάθειες των πειραματιστών που δεν έχουν ακόμη εντοπίσει ή παρατηρήσει αυτό που έχουν σκοπό.

Ορισμένες από αυτές τις προσπάθειες έχουν καλύψει δεκαετίες και γενιές ανθρώπινου δυναμικού και τεχνογνωσίας. Ωστόσο, η απουσία ενός αποτελέσματος είναι συχνά εξίσου επιστημονικά σημαντική με οποιαδήποτε διαδεδομένη ανακάλυψη:Μαθαίνουμε περισσότερα για το τι δεν είναι ή τι δεν έχει ο φυσικός κόσμος. Η λήψη ενός θετικού σήματος από οποιοδήποτε από αυτά, ωστόσο, θα είχε εκτεταμένες συνέπειες για την κατανόησή μας για το σύμπαν ή τη θέση μας σε αυτό.

Παρακάτω είναι μια λίστα με επτά πειράματα που βρίσκονται σε εξέλιξη που δεν έχουν βρει ακόμα αυτό που ψάχνουν. Όλοι τους είναι αξιόλογοι για την ευρηματικότητα και τη φιλοδοξία τους. Δεν είναι περίεργο από πού προέρχεται η επιμονή να συνεχίσετε με αυτά τα πειράματα.

Για να ρίξετε φως στη σκοτεινή ύλη, θάψτε μια δεξαμενή υγρού xenon υπόγεια

Οι επιστήμονες θεωρούν ότι τα νήματα της σκοτεινής ύλης σχηματίζουν τη σκαλωσιά στην οποία προσκολλώνται όλοι οι γαλαξίες που μπορούμε να δούμε. Και γύρω από κάθε γαλαξία υπάρχει ένα φωτοστέφανο σκοτεινής ύλης, το οποίο παρέχει την επιπλέον βαρύτητα που απαιτείται για να εξηγήσει πώς περιστρέφονται τα αστέρια γύρω από τους γαλαξιακούς πυρήνες τους. Ωστόσο, η σκοτεινή ύλη είναι κάτι που δεν έχουμε ακόμη εντοπίσει άμεσα. Αν και τις τελευταίες δεκαετίες έχουν γίνει πολλές προσπάθειες ανίχνευσης της σκοτεινής ύλης μέσω πιθανώς πολύ αδύναμων αλληλεπιδράσεων με τη συνηθισμένη ύλη, όλες έχουν βγει κενές.

Μεταξύ των διαφόρων μορφών που θα μπορούσε να πάρει η σκοτεινή ύλη, τα λεγόμενα Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) αντιπροσωπεύουν μία από τις πιο συναρπαστικές δυνατότητες για τους σωματιδιακούς φυσικούς. Το πείραμα LUX, που βρίσκεται σχεδόν ένα μίλι κάτω από τη γη σε ένα πρώην ορυχείο στη Νότια Ντακότα, βοήθησε, μεταξύ άλλων, να τεθεί ψηλά ο πήχης για την αποτυχία ανίχνευσης των WIMP. Περικλείεται σε μια δεξαμενή γεμάτη με 72.000 τόνους νερού υψηλής καθαρότητας για να φιλτράρει τις ανεπιθύμητες κοσμικές ακτίνες, το LUX αποτελείται από περίπου το ένα τρίτο του τόνου υγρού ξένον που περιβάλλεται από ανιχνευτές αρκετά ευαίσθητους ώστε να ανιχνεύουν το φως που εκπέμπεται όταν η σκοτεινή ύλη συγκρούεται με ένα μόνο ξένο. άτομο.

Η αποτυχία της LUX να ανιχνεύσει τυχόν ίχνη σκοτεινής ύλης έχει ωθήσει την αναβάθμιση του LUX-Zeplin - ένα πείραμα που περιέχει περίπου 20 φορές την ποσότητα υγρού ξένου σε σχέση με το LUX. Το αν το αναβαθμισμένο πείραμα βρίσκει επιτυχία εκεί που δεν ήταν το LUX, μένει να φανεί. Η φύση φαίνεται να έχει μια τακτική τάση να κοροϊδεύει τις ελπίδες και τις προσδοκίες των επιστημόνων.

Για να δείτε (πραγματικά) τα εναπομείναντα κύματα βαρύτητας του Big Bang, δείτε διαφορετικές συχνότητες

Τα βαρυτικά κύματα (το βαρυτικό ανάλογο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ή φωτός) από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης θα είχαν αφήσει ένα μοναδικό ίχνος στο κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, την ακτινοβολία λειψάνων που έμεινε από την έκρηξη που ξεκίνησε το παρατηρήσιμο σύμπαν, το οποίο μπορούμε να δούμε προς κάθε κατεύθυνση. Δείχνει μικροσκοπικές διακυμάνσεις στη θερμοκρασία και την πόλωσή του, που μας παρέχει ένα στιγμιότυπο του βαρυτικού πεδίου στην ίδια την εποχή -όταν το σύμπαν ήταν 379.000 ετών- που σχηματίστηκε για πρώτη φορά το ουδέτερο υδρογόνο. Αυτό το ίχνος θα είχε τη μορφή ενός περιστροφικού σχεδίου πόλωσης, τεχνικά γνωστού ως "B-modes".

Παρά τον ενθουσιασμό που προκάλεσε η συνεργασία BICEP/Keck με την ανακοίνωση, το 2014, της ανίχνευσης τέτοιων B-mode, η προέλευσή τους αποδείχθηκε ότι ήταν κάτι μάλλον πιο κοσμικό. Αυτό που φαινόταν ως αρχέγονα βαρυτικά κύματα ήταν πραγματικά πολωμένα σωματίδια σκόνης σε μεγάλο γαλαξιακό γεωγραφικό πλάτος, τα οποία μπορούν να μιμηθούν το ίδιο περιστροφικό μοτίβο πόλωσης τύπου Β με τα βαρυτικά κύματα, εάν υπάρχουν σε αρκετά μεγάλες ποσότητες.

Απτόητη, η συνεργασία BICEP έχει αναβαθμιστεί στη διαμόρφωση BICEP3, η οποία αποτελείται από μια σειρά από περίπου 2.500 ανιχνευτές (τα λεγόμενα βολόμετρα) που έχουν σχεδιαστεί για να παρατηρούν το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο σε πολύ χαμηλότερη συχνότητα από την προηγούμενη ενσάρκωσή του. Η παρατήρηση μιας δεκαετίας στις διάφορες εκδόσεις του τηλεσκοπίου BICEP δεν έχει ακόμη συγκεντρώσει θετική ανίχνευση τρόπων Β από αρχέγονα βαρυτικά κύματα, αλλά η αναζήτηση δεν θα σταματήσει σύντομα — και ο ανταγωνισμός για την ανίχνευση του είναι μόνο μόλις άρχισε να ζεσταίνεται.

Για να δείτε εάν οι ισχυρές πυρηνικές και ηλεκτροαδύναμες δυνάμεις ενώνονται, αναζητήστε την "ηχητική έκρηξη" του φωτός

Το τυπικό μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων είναι ένα αποκορύφωμα δεκαετιών αλληλεπίδρασης μεταξύ θεωρίας και πειράματος, από την έναρξη της κβαντικής μηχανικής έως την πρόταση ότι η ασθενής πυρηνική δύναμη (η δύναμη που ευθύνεται για ορισμένους τύπους ραδιενεργής διάσπασης) και ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι διαφορετικές πτυχές ενός ενιαία ενιαία «ηλεκτροαδύναμη» δύναμη. Οι ηλεκτρομαγνητικές και αδύναμες πυρηνικές δυνάμεις μας φαίνονται διακριτές μόνο στις κλίμακες ενός τυπικού εργαστηριακού πειράματος που γνωρίζουμε, επειδή το πεδίο Higgs - το οποίο προσδίδει μάζα στα σωματίδια που αλληλεπιδρούν μαζί του - κρύβει την υποκείμενη συμμετρία που διέπει αυτές τις δύο δυνάμεις.

Μέσα στο τυπικό μοντέλο υπάρχει μια άλλη δύναμη, η ισχυρή πυρηνική δύναμη, την οποία αναμένουμε να ενοποιηθεί με την ηλεκτροαδύναμη δύναμη σε ενέργειες περίπου ένα τρισεκατομμύριο φορές υψηλότερες από ό,τι μπορεί να επιτευχθεί στο CERN, σε μια διαδικασία γνωστή ως Μεγάλη Ενοποίηση. Μία από τις προβλέψεις των θεωριών του Grand Unified είναι ότι το πρωτόνιο παύει να είναι ένα σταθερό σωματίδιο και μπορεί να διασπαστεί σε άλλα σωματίδια -όπως πιόνια και ποζιτρόνια- αν και απίστευτα σπάνια, με χρόνο ημιζωής που μπορεί να πλησιάσει εκατό τρισεκατομμύρια φορές τον ηλικία του σύμπαντος σε ορισμένα μοντέλα.

Το Super-Kamiokande —και η σχεδιαζόμενη αναβάθμισή του, Hyper-Kamiokande— που βρίσκεται ένα χιλιόμετρο κάτω από ένα βουνό στο εργαστήριο Kamioka στην κεντρική Ιαπωνία, έχουν χρεωθεί να αναζητήσουν (μεταξύ άλλων) τις ενδεικτικές υπογραφές τέτοιων εξαιρετικά σπάνιων διασπάσεων πρωτονίων στην τεράστιες δεξαμενές σούπερ καθαρού νερού. Με τη σάρωση για αμυδρές λάμψεις φωτός που είναι γνωστές ως ακτινοβολία Cherenkov - το οπτικό ισοδύναμο των ηχητικών εκρήξεων - το Super-Kamiokande αναζητά τα πολύ ενεργητικά σωματίδια στα οποία διασπάται το πρωτόνιο.

Μέχρι στιγμής τίποτα. Αλλά το Hyper-Kamiokande, το οποίο στοχεύει σε 10πλάσια αύξηση της ευαισθησίας σε σύγκριση με τον προκάτοχό του, θα πρέπει να αρχίσει να παρατηρεί έως το 2020.

Για να ελέγξετε την υπερσυμμετρία, ανιχνεύστε το νετρόνιο

Το τυπικό μοντέλο της σωματιδιακής φυσικής προβλέπει ότι το νετρόνιο - το οποίο, μαζί με το πρωτόνιο, αποτελείται από όλους τους ατομικούς πυρήνες - έχει μια εξαιρετικά μικροσκοπική ηλεκτρική διπολική ροπή (EDM), τη σταθερή απόσταση που χωρίζει δύο αντίθετα φορτία. Η μικρότητα του είναι πιθανώς ο λόγος για τον οποίο δεν έχει εντοπιστεί. Ωστόσο, οι θεωρίες που επεκτείνουν το τυπικό μοντέλο με υπερσυμμετρία - μια υποθετική ισοδυναμία μεταξύ δύναμης και ύλης - προβλέπουν γενικά EDM που μπορεί να είναι 100.000 φορές μεγαλύτερα σε μέγεθος από την πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου.

Τοποθετώντας όρια στο μέγεθος του EDM νετρονίων, μπορεί κανείς να ελέγξει εάν η υπερσυμμετρία υπάρχει στη φύση με τρόπους που είναι πιο αυστηροί από αυτό που θα μπορούσε να επιτύχει κανείς σε πειράματα επιταχυντών σωματιδίων. Το CryoEDM, στο Ινστιτούτο Laue-Langevin στη Γκρενόμπλ της Γαλλίας, είναι ένα τέτοιο πείραμα. Παρατηρώντας πώς το σπιν των εξαιρετικά αργών νετρονίων «προχωρά» -δηλαδή, αλλάζει τον προσανατολισμό του άξονα περιστροφής του- διαφορετικά παρουσία μαγνητικών και ηλεκτρικών πεδίων, μπορεί κανείς να κάνει ακριβείς μετρήσεις του EDM νετρονίων, εάν υπάρχει, καθώς αυτό Ο ρυθμός μετάπτωσης διαφέρει εάν το νετρόνιο έχει EDM.

Όταν το CryoEDM φτάσει στην πλήρη σχεδιαστική του ευαισθησία, θα ήταν σε θέση να αποκλείσει την ύπαρξη υπερσυμμετρίας. Από την άλλη πλευρά, κάθε παρατηρούμενο EDM θα αποτελούσε δελεαστική απόδειξη ότι η υπερσυμμετρία είναι πράγματι αντιληπτή στη φύση, καθώς η τιμή που υπονοείται μόνο από το τυπικό μοντέλο είναι πολύ αδύναμη για να είναι ανιχνεύσιμη με την τρέχουσα πειραματική ευαισθησία.

Για να εντοπίσετε επιπλέον διαστάσεις, δώστε μια κοντινή εικόνα στη βαρύτητα

Οι επιπλέον διαστάσεις, εάν υπάρχουν, μπορούν να τροποποιήσουν τον τρόπο με τον οποίο η βαρύτητα ενεργεί σε πολύ μικρές αποστάσεις. Όχι μόνο υπονοούν αποκλίσεις από τον συνήθη νόμο αντίστροφου τετραγώνου της Νευτώνειας βαρύτητας, υποδηλώνουν επίσης την ύπαρξη νέων δυνάμεων μικρής εμβέλειας βαρυτικής ισχύος που θα παραβίαζαν τη λεγόμενη αρχή της ισοδυναμίας. Η αρχή της ισοδυναμίας δηλώνει ότι όλη η ύλη - μια μπάλα κανονιού, ένα μήλο - πέφτει με τον ίδιο τρόπο σε ένα δεδομένο βαρυτικό πεδίο. Ο λόγος που οι επιπλέον διαστάσεις συνοδεύονται από όλες αυτές τις επιπλέον αποσκευές είναι επειδή τα πεδία που ελέγχουν το μέγεθος των επιπλέον διαστάσεων μιμούνται τη δύναμη της βαρύτητας, αλλά μόνο σε πολύ μικρές αποστάσεις και το κάνουν διαφορετικά για διαφορετικά είδη ύλης.

Αν και η θεωρία της γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν έχει δοκιμαστεί διεξοδικά από το ηλιακό σύστημα μέχρι την κοσμολογική κλίμακα, οι ερευνητές άρχισαν να τη δοκιμάζουν συστηματικά σε κλίμακες κάτω του χιλιοστού μέχρι πρόσφατα.

Χρησιμοποιώντας επακριβώς βαθμονομημένες ζυγαριές στρέψης, η συνεργασία Eöt-Wash, (που ονομάστηκε προς τιμήν του βαρώνου Eötvos, ο οποίος πρωτοστάτησε σε τέτοια πειράματα στις αρχές του 20ου αιώνα) με έδρα το Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον, αναζητούσε παραβιάσεις της αρχής της ισοδυναμίας. επιπλέον των αποκλίσεων από τον αντίστροφο τετραγωνικό νόμο της Νευτώνειας βαρύτητας — σε κλίμακες που τώρα πλησιάζουν μερικά 100.000 του μέτρου. Μέχρι στιγμής, δεν έχουν βρεθεί τροποποιήσεις στους νόμους του Νεύτωνα, ούτε στην αρχή της ισοδυναμίας, υποδηλώνοντας ότι οι πρόσθετες διαστάσεις, εάν υπάρχουν, συσσωρεύονται σε περιοχές πολύ μικρότερες από μερικές δεκάδες του μικρού.

Για να δείτε τους κοσμολογικούς «σκοτεινούς αιώνες», συντονιστείτε σε ένα αχνό ραδιοφωνικό σήμα

Υπάρχει μια εποχή στην ιστορία του σύμπαντος για την οποία γνωρίζουμε σχετικά λίγα - οι λεγόμενοι σκοτεινοί αιώνες. Αυτή είναι η εποχή μετά τον «ανασυνδυασμό», όταν σχηματίστηκε για πρώτη φορά το ουδέτερο υδρογόνο και πριν αρχίσουν να λάμπουν τα πρώτα αστέρια.

Ένα άτομο υδρογόνου που κάθεται από μόνο του δεν εκπέμπει πολύ. Ωστόσο, όπως κάθε πλανήτης που περιστρέφεται γύρω από έναν ήλιο, ο οποίος επίσης περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του, το μοναχικό ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω από οποιονδήποτε δεδομένο πυρήνα υδρογόνου «περιστρέφεται» στον δικό του άξονά είτε ευθυγραμμισμένο είτε με την τροχιακή του κίνηση. Το τελευταίο έχει λιγότερη ενέργεια.

Φωτιζόμενο από το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων, το ουδέτερο υδρογόνο στους σκοτεινούς αιώνες έχει ένα ορισμένο κλάσμα που έχει ενθουσιαστεί να περιστρέφεται στη διαμόρφωση ευθυγραμμισμένη με υψηλότερη ενέργεια. Καθώς αυτά τα διεγερμένα άτομα μεταβαίνουν στη χαμηλότερη ενεργειακή αντι-ευθυγραμμισμένη διαμόρφωση, εκπέμπουν ακτινοβολία στα 1,4 gigahertz περίπου, που αντιστοιχεί σε ένα πολύ αχνό ραδιοσήμα με μήκος κύματος περίπου 21 εκατοστά. Η ανίχνευση αυτού του λεγόμενου φόντου 21 εκατοστών θα μας επέτρεπε να κοιτάξουμε απευθείας πίσω στις σκοτεινές εποχές.

Το τηλεσκόπιο Χαμηλής Συστοιχίας Συχνότητας (LOFAR) είναι μια συστοιχία περίπου 20.000 σταδιακών κεραιών που βρίσκονται σε όλη την Ευρώπη (αν και κυρίως στην Ολλανδία) που κοιτάζει έξω στον κόσμο από το 2012 με την ελπίδα να ανιχνεύσει αυτό το πολύ αχνό σήμα. Ωστόσο, η γη, και ο γαλαξίας στον οποίο βρίσκεται, είναι ένα πολύ θορυβώδες μέρος, και μέχρι στιγμής ήταν αδύνατο να ανιχνευθεί οποιοδήποτε σήμα από τις σκοτεινές εποχές που υψώνεται πάνω από τον τοπικό θόρυβο. Εκτελούνται φιλόδοξα σχέδια για μια διεθνή συστοιχία γνωστή ως Συστοιχία Τετραγωνικών Χιλιόμετρων (SKA) να προχωρήσει περισσότερο, αλλά προς το παρόν, οι σκοτεινοί αιώνες παραμένουν ακριβώς αυτό.

Για να ανακαλύψετε εξωγήινους, απλώς μην σταματήσετε ποτέ να ακούτε

Η οριστική απόδειξη της παρουσίας ευφυούς ζωής στο σύμπαν εκτός από τη δική μας θα ήταν μια στιγμή ορόσημο για τον πολιτισμό. Μια συλλογική προσπάθεια, που περιλαμβάνει μια σειρά πειραμάτων, αναζητούσε σήματα εξωγήινης νοημοσύνης για όσο διάστημα υπήρχε η ραδιοτεχνολογία. Η υποκείμενη ιδέα είναι ότι τα τεχνητά ραδιοσήματα μπορούν να διακριθούν από εκείνα που δημιουργούνται από φυσικές (αστροφυσικές) πηγές λόγω του στενού εύρους συχνοτήτων και της επαναλαμβανόμενης φύσης τους, όπως συμβαίνει με τις ανθρώπινες ραδιομεταδόσεις. Ένα δελεαστικό σήμα υποψηφίου εμφανίστηκε το 1977, αν και δεν έχει ξαναφανεί ποτέ και δεν μπορεί να αποκλειστεί μια φυσική εξήγηση.

Το SETI, η Αναζήτηση για Εξωγήινη Νοημοσύνη, συνεχίζει με μια ποικιλία αποκλειστικών ραδιοτηλεσκοπίων, συμπεριλαμβανομένου του Allen Telescope Array, το οποίο πρόσφατα συμπληρώθηκε με τεχνολογία που έχει αναπτυχθεί ονομαστικά για την αναζήτηση εξωπλανητών. Οι επιστήμονες έχουν επίσης σκοπό να αναζητήσουν εξωγήινες μεγα-δομές, τις οποίες υπέθεσε ο φυσικός Freeman Dyson, τις οποίες οι προηγμένοι πολιτισμοί θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν για να συλλέξουν ενέργεια απευθείας από τα αστέρια ξενιστές τους. Παρά τις δεκαετίες άδειας, η συλλογική αναζήτηση για εξωγήινη νοημοσύνη είναι τώρα καλύτερα εξοπλισμένη από ποτέ για να αντιμετωπίσει το περίφημο άγχος του Arthur C. Clarke ότι «υπάρχουν δύο πιθανότητες:είτε είμαστε μόνοι στο σύμπαν είτε δεν είμαστε. Και τα δύο είναι εξίσου τρομακτικά.”

Ο Subodh Patil είναι θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο Niels Bohr στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης. Κάνει tweet κατά καιρούς στο @_subodhpatil.

ΠΡΟΣΟΧΗ: Είναι το έργο αυτού του θεωρητικού κοσμολόγου το πρώτο εμπειρικό τεστ της θεωρίας χορδών;

Αυτή η κλασική ανάρτηση Facts So Romantic δημοσιεύτηκε αρχικά τον Μάρτιο του 2017.