Fisikawan partikel memberikan peta jalan untuk dekade berikutnya

Jumat, 8 Desember: Cerita ini telah diperbarui untuk menyertakan pemungutan suara yang terjadi setelah pertama kali diterbitkan.

Ilmuwan A setuju sebuah rencana Selama dua dekade berikutnya fisika partikel di Amerika Serikat pada hari Jumat. Hal ini bertujuan untuk mengembalikan supremasi Amerika dalam fisika partikel energi tinggi.

Strategi baru ini menyerukan kepada fisikawan untuk mulai meletakkan dasar bagi penumbuk partikel revolusioner yang dapat dibangun di tanah Amerika. Mesin tersebut akan bertabrakan dengan muon kecil berbentuk titik, yang mirip dengan elektron tetapi lebih besar. Muon memberikan lebih banyak perhatian dibandingkan proton yang digunakan di Large Hadron Collider CERN, dan akan mendorong pencarian gaya dan partikel baru lebih jauh ke tempat yang tidak diketahui dibandingkan sebelumnya.

Menemukan proyek seperti itu, mungkin di Laboratorium Akselerator Nasional Fermi Di Illinois, hal ini akan mengembalikan fisika partikel Amerika ke posisi supremasi yang diserahkan kepada Eropa pada tahun 1993 ketika Kongres menghapuskan superkonduktor superkolider raksasa. Tapi itu akan memakan waktu setidaknya 10 tahun Untuk membuktikan bahwa muon collider dapat bekerja dan berapa biayanya.

“Ini adalah tembakan muon kami,” kata komite yang ditugaskan untuk menetapkan visi untuk dekade berikutnya bagi fisika partikel Amerika dalam sebuah laporan berjudul “Menjelajahi Alam Semesta Kuantum: Jalur untuk Inovasi dan Penemuan dalam Fisika Partikel.” A wawancara Di Washington, D.C., pada hari Kamis dan Jumat, dan akan dibahas lebih lanjut Di Fermilab minggu depan.

Laporan tersebut juga menyoroti perlunya berinvestasi dalam eksperimen generasi mendatang yang menyelidiki sifat partikel subatom yang disebut neutrino; Latar belakang gelombang mikro kosmik, sisa radiasi dari Big Bang; dan materi gelap, perekat gravitasi yang menyatukan galaksi. Komite juga merekomendasikan partisipasi dalam fasilitas masa depan di Eropa atau Jepang yang didedikasikan untuk mempelajari Higgs boson, yang penemuannya pada tahun 2012 merupakan kunci untuk memahami bagaimana partikel lain mendapatkan massanya.

“Ukuran alam semesta yang kita lihat sekarang, yaitu 14 miliar tahun cahaya, sebenarnya lebih kecil dari ukuran inti” di awal masa kosmik, kata Hitoshi Murayama, fisikawan di Universitas California, Berkeley, yang memimpin panel. “Jadi bidang kami sebenarnya tidak hanya mencari komponen fundamental, tapi mendapatkan gambaran lebih besar tentang cara kerja alam semesta secara keseluruhan.”

Komite tersebut, yang secara resmi dikenal sebagai Komite Penetapan Prioritas Proyek Fisika Partikel, atau P5, ditugaskan oleh Departemen Energi AS dan National Science Foundation untuk mengembangkan peta jalan untuk masa depan bidang ini. Proses tiga tahun ini dimulai dengan meminta masukan dari komunitas fisika partikel secara luas, dan laporan akhir akan berfungsi sebagai rekomendasi mengenai apa yang harus diprioritaskan oleh lembaga-lembaga nasional pada dekade berikutnya.

Laporan P5 terbaru, “Membangun Penemuan: Rencana Strategis Fisika Partikel AS dalam Konteks Globalditerbitkan pada tahun 2014 setelah penemuan Higgs boson. Model Standar merupakan kesuksesan besar, yaitu seperangkat persamaan kuantum yang menjelaskan semua yang diketahui dan diuji oleh para ilmuwan di laboratorium tentang gaya dan partikel di alam, dan yang mana telah memenangkan beberapa Hadiah Nobel untuk penciptanya. .

Namun Model Standar tidak menjelaskan apa pun tentang gravitasi, dan juga tentang lubang hitam atau “energi gelap” yang mendorong alam semesta terpisah. Hal ini juga tidak menjelaskan materi gelap, materi tak kasat mata yang mengelilingi galaksi. Itu juga tidak menjelaskan Higgs boson.

Dalam dekade terakhir, fisikawan belum mencapai banyak kemajuan dalam bidang ini. Mereka gagal mengidentifikasi materi gelap, dan beberapa hipotesis mereka yang paling populer, terutama gagasan yang disebut supersimetri, mungkin akan dikesampingkan, setidaknya sebagai penjelasan tentang materi gelap.

Hal ini mencakup proses pembuatan laporan untuk dekade berikutnya Studi Musim Panas Seattle Snowmass Pada tahun 2022, fisikawan mempresentasikan ratusan makalah penelitian yang mengusulkan inisiatif masa depan di bidang ini. Ringkasan penelitian telah disusun di A Sebuah buku setebal 700 halaman. “Saya menggambarkan hal ini sebagai tindakan demokrasi,” kata Dr. Murayama, sambil menekankan bahwa ini adalah proses “dari bawah ke atas”.

Sally Seidel, fisikawan di Universitas New Mexico dan ketua Komite Penasihat Fisika Energi Tinggi Departemen Energi, menggambarkan proses tersebut sebagai “pertunjukan keingintahuan yang brilian” yang mempertemukan ribuan peneliti. “Saya tidak dapat mengingat waktu yang lebih menyenangkan untuk menjelajahi fisika partikel,” tulisnya melalui email.

Rekomendasi panel lima negara tersebut mempertimbangkan dua skenario anggaran yang diajukan oleh Departemen Energi AS. Dalam satu kasus “baseline”, anggaran kementerian diperkirakan akan meningkat sebesar 3 persen per tahun, terutama untuk mengimbangi inflasi. Dalam skenario ini, panitia menekankan pada pelaksanaan proyek-proyek besar, misalnya Sistem teleskop di Chili dan Antartika Untuk mempelajari latar belakang gelombang mikro kosmik, dan mendirikan Pabrik Higgs kelautan Versi lanjutan dari IceCubeIni adalah observatorium yang membeku di es Antartika yang menangkap neutrino dari sumber aneh di alam semesta.

Dengan skenario anggaran ini, akan ada ruang untuk mendukung visi penumbuk partikel yang berbasis di AS.

Penumbuk partikel, seperti mesin CERN, mendapatkan daya tariknya dari penemuan Einstein bahwa energi dan massa dapat dipertukarkan. Semakin banyak energi yang dilepaskan dalam suatu tumbukan, semakin besar massa partikel yang dapat tercipta. Karena proton adalah kumpulan partikel-partikel kecil yang disebut quark dan gluon, tumbukan keduanya hanya akan melepaskan sebagian kecil energi total proton. Muon, sebaliknya, bersifat dasar; Tanpa komponen internal (sejauh yang diketahui para ilmuwan), tumbukan mereka menghasilkan hasil yang lebih energik.

Penumbuk muon adalah salah satu dari tiga opsi yang dianggap sebagai penerus Penumbuk Hadron Besar CERN, yang saat ini merupakan penumbuk terbesar di dunia dan diperkirakan akan mendominasi fisika partikel selama dekade berikutnya. Baik Tiongkok maupun Organisasi Riset Nuklir Eropa (CERN) telah menjajaki pembuatan penumbuk baru dengan keliling 60 mil atau lebih, yang akan mencapai energi tumbukan sebesar 100 triliun elektron volt dibandingkan dengan 14 triliun elektron volt pada Penumbuk Hadron Besar, sehingga membuka kemungkinan untuk energi dan waktu.

Kemungkinan lain, yang pada prinsipnya dapat dilakukan di atas meja dibandingkan di terowongan bawah tanah berkilo-kilometer, disebut percepatan medan bangun, yaitu ketika partikel didorong seperti peselancar di atas gelombang gas yang sangat terionisasi, yaitu plasma.

Toyoko Orimoto, fisikawan di Universitas Northeastern, menganggap rekomendasi ini ambisius dan menarik. “10 tahun ke depan akan menjadi waktu yang sangat menarik bagi fisika partikel,” katanya.

Laporan ini juga mempertimbangkan skenario anggaran yang lebih buruk, yaitu hanya peningkatan dana sebesar 2 persen per tahun, yang berarti pengurangan dukungan secara efektif. Jika hal ini terjadi, kata komite tersebut, Amerika Serikat harus mengabaikan harapannya untuk menjadi tuan rumah eksperimen materi gelap generasi berikutnya di laboratorium bawah tanah baru di South Dakota dan membatalkan rencana peningkatan laboratorium tersebut. Pembangunan eksperimen neutrino bawah tanah yang sudah berlangsung dan mahalatau DUNE, yang semakin mengurangi kepemimpinan negara di bidang tersebut.

“Amerika Serikat harus melepaskan kepemimpinannya di bidang fisika partikel tertentu,” kata Carsten Heeger, fisikawan di Universitas Yale dan wakil presiden P5. “Ini akan menjadi dampak yang akan dirasakan di dalam dan di luar lapangan.”

Jika semuanya gagal, laporan tersebut mendesak pemerintah federal untuk melanjutkan proyek yang telah menjadi komitmennya, termasuk meningkatkan kecerahan, atau tingkat dampak, Large Hadron Collider untuk studi lebih dalam terhadap partikel Higgs dan fenomena langka lainnya; Terus membangun Observatorium Vera C. Rubinsebuah teleskop di Chili yang dirancang untuk membuat film selang waktu tentang alam semesta; Dan DUNE edisi terbatas.

“Mereka melakukan apa yang harus mereka lakukan,” kata Lisa Randall, fisikawan Harvard yang tidak tergabung dalam P5, menghasilkan visi penuh harapan untuk masa depan saat mereka bersiap untuk mengatasi anggaran yang mungkin penuh saat ini.

Michael Turner, pensiunan kosmolog dari University of Chicago, dan Maria Spiropoulou dari California Institute of Technology, yang memimpin studi terkait untuk National Academy of Sciences, menyebut rencana tersebut sebagai “rencana yang berani” dalam pernyataan bersama melalui email.

Karena proyek-proyek ini berumur puluhan tahun, panitia menekankan dukungan bagi para ilmuwan awal karir yang pada akhirnya akan mengambil alih proyek tersebut. “Mereka adalah masa depan,” kata Dr. Murayama.

Fisikawan pendatang baru sangat antusias dengan dukungan ini. “Sebagai seseorang yang memiliki masa depan yang lebih baik dalam karirnya, saya ingin menjadi bagian di bidang ini,” kata Tova Holmes, fisikawan di Universitas Tennessee yang mengerjakan muon collider. Desain. “Seseorang yang mempunyai ambisi besar, mencoba hal baru, mengembangkan teknologi baru dan percaya pada potensi dirinya.”

Panitia akan fokus untuk mendapatkan dukungan terhadap rencana tersebut, baik di dalam maupun di luar komunitas fisika. Secara khusus, Dr. Murayama menyatakan harapannya bahwa hal ini akan menarik perhatian staf yang berkomunikasi dengan anggota Kongres tentang bagaimana melakukan pemungutan suara terhadap anggaran kementerian.

“Penelitian dasar masih sulit dipahami,” kata Dr. Murayama. “Ini bukan manfaat langsung bagi masyarakat.” Namun dia menambahkan bahwa manfaatnya sepadan: Fisika partikel telah membawa revolusi dalam aplikasi medis, ilmu material, dan bahkan penciptaan iPhone dan World Wide Web.

Namun menurut Dr. Murayama, manfaat yang diperoleh lebih dari sekadar dampak lapangan terhadap masyarakat. “Fisika partikel benar-benar merupakan inti dari diri kita, siapa kita,” katanya, seraya menambahkan bahwa kita semua, baik fisikawan atau bukan, “ingin memahami mengapa kita ada, dari mana kita berasal, dan ke mana kita pergi. .” “.