2010'larda fiziğin üç büyük keşfi bilimin geleceği için ne anlama geliyor?
Gösterge: 2017 yılında, CERN'in ATLAS dedektörü tarafından gözlemlenen bu olay, Higgs bozonu ve Z bozonunun üretimini de gösterdi. İki mavi orbital, bir Z bozonuna karşılık gelen yüksek enerjili elektronlardır ve enerjisi 93.6 GeV'luk bir kütleye karşılık gelir. İki mavi koni nozüllerdir ve kuarkların güçlü bir şekilde güçlendirilmesi nedeniyle çok sayıda parçacık üretilir. Özellikle, bu Higgs aday parçacığı olan alttaki antikuark çiftine kadar izlenebilir. Bu olaydan yeniden yapılandırılan Higgs adayının sabit kütlesi, Higgs bozonunun özellikleriyle tutarlı olan 128.1 GeV'dir.
Bilimsel açıdan bakıldığında, 2010'lar son derece verimli bir on yıldı. Dış gezegenler (kendi yıldızlarının dışında kendi yıldızlarının etrafında dönen gezegenler) hakkındaki bilgimiz patladı, binlerce yeni keşif üretti ve insanlara var olan şeyler hakkında benzersiz bir anlayış kazandırdı. Planck uydusu ve büyük ölçekli yapısal araştırmamız karanlık enerjiyi düzeltti ve gelişmiş astronomik veriler bize evrenin genişlemesiyle ilgili bir bilmece gösterdi. Lazerler daha hızlı ve daha güçlü hale geldi; ilk kez "kuantum hegemonyası" elde edildi; Plüton'u keşfettik ve en uzaktaki uzay aracımız sonunda gezegenler arası uzaya girdi.
Bununla birlikte, üç fiziğin gelişimi çok ileridedir ve bilimin geleceği üzerinde büyük bir etkisi vardır. "Higgs bozonu" nun keşfi, yerçekimi dalgalarının doğrudan tespiti ve kara delik olaylarının ufkunun ilk görüntüsü 2010'larda bilimde devrim yarattı ve onlarca yıldır fiziği etkilemeye devam edecek.
Gösterge: Standart Modelin hem parçacıkları hem de karşıt parçacıkları artık doğrudan tespit edildi ve son tutucu olan Higgs bozonu, on yıl önce LHC'ye düştü. Tüm bu parçacıklar LHC enerjisi altında üretilebilir ve parçacıkların kütlesi, onları tam olarak tanımlamak için kesinlikle gerekli olan temel sabite yol açar. Bu parçacıklar fiziği kuantum alan teorisinin arkasındaki Standart Model ile iyi bir şekilde tanımlayabilir, ancak karanlık madde gibi her şeyi veya güçlü etkileşimde neden CP çatışmasının olmadığını açıklayamazlar.
Higgs bozonunu keşfedin
Kuarklar, yüklü lekler, nötrinolar ve bunların antimadde karşılıkları 2010'lardan önce keşfedildi ve standart modelin ferrit kısmı tamamlandı. Tüm ölçek bozonlarının özelliklerini keşfettik ve ölçtük: W ve Z bozonları, gluonlar ve fotonlar. Standart Model tarafından beklenen son parçacık olan Higgs bozonu da mevcuttur.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, insanlık tarihindeki en güçlü parçacık hızlandırıcısıdır ve yapım amacı, bu tür parçacıkları keşfetmektir. Yer hızlandırıcılarda hiç görülmemiş olan enerjiyi fark ederek ve onu her zamankinden daha fazla proton-proton çarpışmasıyla birleştirerek, bilim adamları nihayet en zor temel parçacıkların doğasını ortaya çıkarabilirler.
Gösterge: Birkaç yıl önce, CMS ve ATLAS, Higgs bozonunu tespit etmek için ilk sağlam 5 sigmayı duyurmak için işbirliği yaptı. Bununla birlikte, Higgs bozonu verilerdeki bir "ani artış" değil, doğasında olan kalite belirsizliği nedeniyle yaygın bir çıkıntıdır. 125 GeV / c ^ 2 ortalama kütle değeri teorik fizikte zor bir sorundur, ancak deneycinin endişelenmesine gerek yoktur: var, onu yaratabiliriz ve şimdi de özelliklerini ölçebilir ve inceleyebiliriz.
Sadece Higgs'i oluşturup tespit edemiyoruz, aynı zamanda birçok özelliğini de ölçebiliyoruz.
Bunlar şunları içerir:
Kütlesi, eşdeğer enerjisi 125-126 GeV, dönüşü sıfır, onu tek temel skaler parçacık yapıyor ve dal oranı, bize Higgs bozonunun nasıl bozunabileceğini gösteriyor. Çeşitli parçacıklardan oluşan bir koleksiyon. Higgs'i keşfetmenin yanı sıra, bu özelliklerin bu ayrıntılı ölçümlerini almak, teoriyi deneyle karşılaştırmamıza ve Standart Modelin Higgs'in nasıl davranacağını tahmin etmede ne kadar başarılı olduğunu kendimize sormamıza olanak tanır. 2019 itibariyle ve CMS ve ATLAS tarafından toplanan ve analiz edilen verilerin tamamı, gördüğümüz her şey, teorinin öngördüğü kesin özelliklerle% 100 Higgs bozonu ile tutarlıdır.
Gösterge: Gözlemlenen Higgs bozunma kanalı, ATLAS ve CMS'den alınan en son veriler dahil olmak üzere standart model ile uyumludur. Anlaşma harika ama aynı zamanda sinir bozucu. 2030'lara gelindiğinde, LHC'nin veri hacmi yaklaşık 50 kat, ancak birçok bozunma kanalındaki doğruluk hala yalnızca yüzde birkaç. Gelecekteki çarpıştırıcılar, bu doğruluğu birçok büyüklük derecesinde artırabilir ve böylece potansiyel yeni parçacıkların varlığını ortaya çıkarabilir.
Bu başlı başına büyük bir gizemdir. Bir yandan, evren hakkında bir dizi gizemimiz var, Standart Modelin parçacıkları, alanları ve etkileşimleri açıklanamıyor. Karanlık maddenin, karanlık enerjinin, genişlemenin veya Bayeux'un nedenlerini bilmiyoruz. Bu gizemleri yalnızca Standart Model açıklayamaz. Partiküllerin neden durgun kütleye sahip olduklarını açıklamaya kadar, güçlü CP problemlerinden nötrino kütlelerine kadar sayısız başka zor problemi çözmedik.
Bilim adamları, bazı düşük enerjili deneyler yaparken 2030'larda Büyük Hadron Çarpıştırıcısını çalıştırmayı planlıyor. Bununla birlikte, bir cevabı veya en azından ikna edici bir ipucu ortaya çıkarmadıkları sürece, insanlık tartışmalı bir soruyla karşı karşıya kalacak: Büyük Hadron Çarpıştırıcısının yapabileceklerini aşan daha gelişmiş, yeni nesil bir çarpıştırıcı mı yapmalıyız? Bize öğret? Parçacık fiziğinin geleceği - ve nihayet bu gizemleri çözme şansı - tehlikede.
Gösterge: İki yerçekimi kaynağınız (yani kütle) sarmalınız olduğunda ve sonunda birleştiğinde, bu hareket yerçekimi dalgalarının yayılmasına neden olacaktır. Sezgisel olmasa da yerçekimsel dalga dedektörlerinin bu dalgalara duyarlılığı 1 / r + 2 yerine 1 / r'dir ve bu dalgaları ister önden ister kenar olsun her yönden görecek veya Arasında bir yerde.
Yerçekimi dalgalarının doğrudan tespiti
Einstein 1915'te genel göreliliği önerdiğinde, bu yeni paradigma kayması çerçevesinde tam olarak açıklanmamış bir dizi sonuç vardı. Bununla birlikte, onlarca yıllık teorik çalışmadan sonra, evrende kütle hareket ettiğinde, uzay-zamanın eğriliği değiştiğinde ve kütle uzay-zamanda hareket ettiğinde, eğriliğinin zamanla değiştiği ve yeni bir tür radyasyon yayacağı açıktır. Biçim: Yerçekimi dalgaları.
Bu radyasyonun dolaylı sonuçları uzun zaman önce pulsar verilerinde ortaya çıkmış olsa da, nihai amaç her zaman bu dalgalanmaları doğrudan tespit etmektir. 2015 yılında, LIGO işbirliğinin liderliğinde, yeni nesil yerçekimi dalgası dedektörleri devreye girdiğinde, yeni bir alan doğdu: yerçekimi dalgası astronomisi alanı. Bu dalgacıklar ilk kez insan yapımı dedektörlerde gözlemlenebilir ve tanımlanabilir sinyaller bırakarak varlıklarını doğrudan ortaya çıkardı.
Gösterge: İkinci Turun sonunda LIGO ve Başak tarafından gözlemlenen birleştirilmiş kara deliğin görselleştirilmiş görüntüsünün hareketsiz bir görüntüsü. Kara deliklerin ufuk çizgileri dönüp birleştiğinde, yayılan yerçekimi dalgaları daha büyük (daha büyük genlik) ve daha yüksek perdeli (daha yüksek frekans) hale gelir. Birleşik kara delikler, 7.6 güneş kütlesinden 50.6 güneş kütlesine kadar değişir ve her birleştiklerinde toplam kütlelerinin yaklaşık% 5'ini kaybeder. Dalganın frekansı, evrenin genişlemesinden etkilenir.
Doğrudan iki tür sinyal görülmüştür: ikiz kara deliklerin sarmalına ve birleşmesine karşılık gelen sinyal ve iki nötron yıldızının birleşmesine karşılık gelen sinyal. İlki, şimdiye kadar LIGO tarafından görülen en yaygın sinyal türüdür, kütle aralığında hiç görülmemiş kara delikleri ortaya çıkarır ve bu yıldızların kalıntılarının sayısını saymamız için bize yol gösterirken, ikincisine elektromanyetik sinyaller eşlik eder ve bu da evreni belirlememize olanak tanır. En ağır elementin kökeni.
LIGO ve Başak gibi dedektörler, menzillerini ve hassasiyetlerini artırmak için yükseltildi ve mevcut operasyonlar yalnızca yeni tespitleri değil, aynı zamanda nötron yıldızı kara delik birleşmeleri gibi yerçekimi dalgaları üreten yeni gök cisim sınıflarını da ortaya çıkarabilir. Daha hafif olan kara delik bir pulsar depremi, süpernova veya tamamen şaşırtıcı bir şey olabilir.
Gösterge: İki kolun uzunlukları tamamen aynı olduğunda ve hiçbir yerçekimi dalgası geçmediğinde, sinyal boştur ve girişim modu sabittir. Kol uzunluğu değiştikçe, sinyal gerçektir ve salınım yapar ve girişim modeli zaman içinde tahmin edilebilir bir şekilde değişecektir.
21. yüzyılın 2010'ları 1920'lere ve ötesine doğru ilerlerken, yerçekimi dalgası dedektörlerinin boyutu, hassasiyeti ve menzili artmaya devam edecek ve bugün yalnızca tespit etmeyi hayal edebileceğimiz sinyalleri açığa çıkarma olasılığını ortaya çıkaracak. Süper kütleli kara deliklere düşen nesneler ufkumuzdadır ve son genişleme anında oluşan yerçekimi dalgaları da ufkumuzdadır: evrenin sıcak büyük patlamadan önceki aşaması.
Yakın zamana kadar insanlar yerçekimi dalgalarının varlığından emin olamıyordu. Bu sinyallerin araçlarımızda görünüp görünmeyeceğinden veya teorik tahminlerimizin gerçekle eşleşip eşleşmediğinden emin değiliz. Geçtiğimiz dört yıl bize Einstein'ın sadece haklı olmadığını, tüm evrenin elektromanyetik (ışık) sinyallerin ötesini araştırdığını öğretti. Bu yüzyılın yeni astronominin yüzyılı olması bekleniyor: kütleçekim dalgası astronomisi. Ne kadar ileri gidebileceğimiz tamamen bize bağlı.
Gösterge: Olay Ufuk Teleskobu tarafından yayınlanan ilk görüntü, dizinin M87'nin merkezindeki kara deliğin olay ufkunu çözümlemesini sağlayarak 22,5 mikroark saniyelik bir çözünürlüğe ulaştı. Tek çanak teleskopun çapının aynı keskinliği elde etmek için 12.000 kilometreye ulaşması gerekir. 5/6 Nisan'daki görüntü ile 10/11 Nisan'daki görüntü arasında, kara deliğin etrafındaki özelliklerin zamanla değiştiğini gösteren farklı görünüme dikkat edin. Bu, yalnızca zaman içinde ortalamalarını almanın değil, farklı gözlemleri senkronize etmenin önemini kanıtlamaya yardımcı olur.
Bir kara deliğin olay ufkunu doğrudan tespit edin
Bu başarı, bu üç başarının en yenisidir ve Messier 87 galaksisinin merkezindeki süper kütleli kara deliğin ünlü "halka" görüntüsünün piyasaya sürüldüğü Nisan 2019'a kadar uzanmaktadır. Küresel radyo teleskopu ve radyo teleskop dizisi tarafından toplanan PB verilerini aynı anda kullanmak için yüzlerce bilim insanı gerekir.Bu fotoğraf buzdağının sadece görünen kısmı.
Elbette olay ufkunu ilk kez görmek ve Einstein'ın genel görelilik teorisinin bir başka öngörüsünün havalı olduğunu doğrulamak. Bu inanılmaz bir teknolojik başarı, teknolojinin kullanımı, ancak teknik olarak mümkün, ALMA gibi yeni diziler. Bu kadar çok gözlemevinin bu gözlemleri yapmak için birbirleriyle koordineli çalışabileceğini belirtmekte fayda var, bu en büyük hikaye.
Gösterge: Bu görüntü, 2017 Event Horizon Telescope M87 gözleminde kullanılan tüm teleskopların ve teleskop dizilerinin konumlarını göstermektedir. Sadece Antarktika Teleskobu M87'yi görüntüleyemez çünkü M87, dünyanın uygun olmayan bir bölümünde yer alır ve galaksinin merkezini gözlemleyemez. Diğer ekipmanların yanı sıra, her konum bir atom saati ile donatılmıştır.
Tüm bunların en dikkat çekici gerçeği, zaman içinde sürekli değişen yapıları araştırıyor olmamız ve şu anda elde ettiğimiz bu yapıların doğruluğunun birkaç yıl önce hayal bile edilemez olmasıdır. Event Horizon Teleskobu'nun çözünürlüğü, 12.000 kilometre çapında tek çanak teleskopla eşdeğerdir: dünyadan aya bakan bir insan yumruğunun büyüklüğü.
Tıpkı ilk insan kara delik örneğinde olduğu gibi, gözlemlediğimiz yapı sürekli değişiyor, ancak bu yalnızca bir anlık görüntüyü gözlemleme zamanı. Kara deliğin 5/6 Nisan'daki görüntüsü birbirine benziyor ancak 10/11 Nisan'daki görüntüden farklı, gözlemlediğimiz fotonların zamanla değiştiğini gösteriyor.
Çok uzak olmayan bir gelecekte, kara delik parlama sinyalini, düşen maddeyi, birikme akışındaki değişiklikleri ve sadece radyo ışığı haritasını değil, ışığın polarizasyonunu da çözebilmeyi umuyoruz. Ancak daha uzak bir gelecekte, uygun şekilde donatılmış radyo teleskopları uzaya fırlatmaya başlayabilir, onları yer tabanlı gözlemevlerimizle senkronize edebilir ve Event Horizon Teleskobunun taban çizgisini (dolayısıyla çözünürlüğü) daha yüksek doğruluğa genişletebiliriz.
Gösterge: Birleştirme diskinin öne (soldaki iki panel) veya kenara (sağdaki iki panel) yönelimi, kara deliklerin bize bakışını büyük ölçüde değiştirebilir. Kara delik ile birikim diski arasında genel bir hizalama mı yoksa rastgele hizalama mı olduğunu bilmiyoruz.
Önümüzdeki birkaç on yılın gelişmesiyle birlikte, evrende bir veya iki süper kütleli kara deliğin nasıl evrimleştiğini ölçmekle kalmayacağız, düzinelerce ve hatta yüzlerce. Yıldız kütleli kara delikler de bu kıvrıma girebilir, çünkü bunlar kendi galaksimizde yer alır ve bu nedenle nispeten büyük görünür. Hatta bir sürprizle bile karşılaşabiliriz. Sessiz görünen kara delikler radyo sinyalleri gösterecektir Sonuçta, bu teleskop dizileri bu sinyalleri alabilir.
Evreni keşfetmeye devam etmenin açık bir yolu var ve tek bağlı olduğu şey, zaten yapmış olduğumuz şeyi genişletmek. Doğanın keşfedilen sınırların dışında hangi sırları sakladığını bilmiyoruz, ancak kesin olarak bir şey biliyoruz: Eğer izlemiyorsak, asla öğrenemeyeceğiz.
