On Yılın En Büyük 3 Fizik Keşfi Bilimin Geleceği İçin Ne Anlama Geliyor?
2017 yılında CERN'deki ATLAS dedektöründe gözlemlenen bu olay, hem Higgs bozonunun hem de Z bozonunun aynı anda üretimini gösteriyor. İki mavi iz, enerjileri 93,6 GeV'luk bir kütleye karşılık gelen bir Z bozonuna karşılık gelen yüksek enerjili elektronlardır. İki camgöbeği konisi, kuarkların hadronizasyonu sayesinde çok sayıda parçacığın oluşturulduğu jetlerdir. Özellikle, bu bir Higgs adayı olan bir alt-anti-alt kuark çiftine kadar izlenebilir. Bu olaydan Higgs adayının yeniden yapılandırılmış değişmez kütlesi, Higgs bozonunun özellikleriyle tutarlı olarak 128.1 GeV'dir. (ATLAS DENEYİ / CERN)
Higgs bozonunu, yerçekimi dalgalarını bulmak ve bir kara deliğin olay ufkunu görüntülemek çok büyüktü. Hikayenin daha da fazlası var.
Bilimsel bir bakış açısından, 2010'lar son derece verimli bir on yıl oldu. Ötegezegenler -bizimkinin ötesindeki yıldızların yörüngesinde dönen gezegenler- hakkındaki bilgimiz patladı ve binlerce yeni keşif ve orada ne olduğuna dair benzersiz bir anlayış sağladı. Planck uydusu ve büyük ölçekli yapı araştırmalarımız karanlık enerjiyi sabitlerken, gelişmiş astronomik veriler bize genişleyen Evren hakkında bir bilmece gösterdi. Lazerler daha hızlı ve daha güçlü hale geldi; kuantum üstünlüğü ilk kez elde edildi; En uzak uzay araçlarımız nihayet gezegenler arası uzaya girerken, Plüton'u ve ötesini keşfettik.
Ancak üç fizik ilerlemesi, diğerlerinin üzerinde kafa ve omuzlar üzerinde duruyor ve bilimin geleceği için muazzam sonuçlar doğuruyor. Higgs bozonunun keşfi, yerçekimi dalgalarının doğrudan tespiti ve bir kara deliğin olay ufkunun ilk görüntüsü, 2010'larda bilimde devrim yarattı ve on yıllar boyunca fiziği etkilemeye devam edecek.
Standart Model'in parçacıkları ve antiparçacıklarının tümü, bu on yılın başlarında LHC'ye düşen son durak olan Higgs Bozonu ile artık doğrudan tespit edildi. Bu parçacıkların tümü LHC enerjilerinde oluşturulabilir ve parçacıkların kütleleri onları tam olarak tanımlamak için kesinlikle gerekli olan temel sabitlere yol açar. Bu parçacıklar, Standart Model'in altında yatan kuantum alan teorilerinin fiziği tarafından iyi tanımlanabilir, ancak karanlık madde gibi her şeyi veya güçlü etkileşimlerde neden CP ihlali olmadığını açıklamazlar. (E. SIEGEL / GALAXY'NİN ÖTESİNDE)
1.) Higgs bozonunu keşfetmek . Kuarklar, yüklü leptonlar, nötrinolar ve onların antimadde karşılıkları 2010'lardan önce zaten keşfedilmişken, Standart Modelin fermiyonik sektörü zaten tamamlanmıştı. Tüm ayar bozonlarının özelliklerini de zaten keşfetmiştik ve ölçmüştük: W ve Z bozonları, gluonlar ve foton. Sadece Higgs bozonu - Standart Model tarafından öngörülen parçacıkların sonuncusu - kaldı.
İnsanlık tarafından şimdiye kadar yaratılmış en güçlü parçacık hızlandırıcı olan Büyük Hadron Çarpıştırıcısı, bu parçacığı keşfetmenin açık hedefi ile inşa edildi. Bilim adamları, karasal hızlandırıcılarda daha önce hiç görülmemiş enerjileri elde ederek ve onu her zamankinden daha fazla sayıda proton-proton çarpışmasıyla birleştirerek, sonunda doğanın en zor temel parçacığını ortaya çıkarabildiler.
Higgs bozonunun ilk sağlam, 5-sigma tespiti, hem CMS hem de ATLAS işbirlikleri tarafından birkaç yıl önce duyuruldu. Ancak Higgs bozonu, verilerde tek bir 'ani artış' yapmaz, aksine kütledeki doğal belirsizliği nedeniyle yayılan bir tümsek yapar. 125 GeV/c² ortalama kütle değeri teorik fizik için bir bilmecedir, ancak deneycilerin endişelenmesine gerek yok: var, onu yaratabiliriz ve şimdi onun özelliklerini de ölçebilir ve inceleyebiliriz. (CMS İŞBİRLİĞİ, HIGGS BOSONUNUN DİPHOTON ÇÖZÜMÜNÜN GÖZLENMESİ VE ÖZELLİKLERİNİN ÖLÇÜLMESİ, (2014))
Sadece Higgs'i yaratıp tespit edemedik, aynı zamanda bir dizi özelliğini ölçtük. Bunlar dahil:
- 125-126 GeV eşdeğer enerjiye sahip kütlesi,
- sıfır olan spini, onu şimdiye kadar görülen tek temel skaler parçacık yapıyor,
- ve onun dallanma oranları, bize Higgs bozonunun çeşitli parçacık kümelerine bozunma olasılığının olasılıksal olarak nasıl olduğunu gösteriyor.
Higgs'i keşfetmenin yanı sıra, bu özelliklerin bu ayrıntılı ölçümlerini yapmak, teori ile deneyi karşılaştırmamızı ve Higgs'in nasıl davranacağını tahmin etmede Standart Modelin ne kadar başarılı olduğunu kendimize sormamızı sağladı. 2019 itibariyle ve CMS ve ATLAS işbirlikleri tarafından toplanan ve analiz edilen eksiksiz veri paketi, gördüğümüz her şey Higgs bozonunun teorik olarak öngörülen kesin özelliklere sahip olmasıyla %100 tutarlıdır.
ATLAS ve CMS'den alınan en son veriler dahil olmak üzere, Standart Model anlaşmasına karşı gözlemlenen Higgs bozunma kanalları. Anlaşma şaşırtıcı ve aynı zamanda sinir bozucu. 2030'lara gelindiğinde, LHC yaklaşık 50 kat daha fazla veriye sahip olacak, ancak birçok bozulma kanalındaki kesinlik hala sadece yüzde birkaçı tarafından bilinecek. Gelecekteki bir çarpıştırıcı, bu hassasiyeti birden fazla büyüklük derecesiyle artırabilir ve potansiyel yeni parçacıkların varlığını ortaya çıkarabilir. (ANDRE DAVID, TWITTER ÜZERİNDEN)
Bu başlı başına büyük bir bilmecedir. Bir yandan, Standart Model'in parçacıklarının, alanlarının ve etkileşimlerinin açıklayamadığı Evren hakkında bir sürü gizemimiz var. Karanlık maddenin, karanlık enerjinin, şişmenin veya baryojenezin nedenini bilmiyoruz, sadece Standart Model tek başına bunu açıklayamaz. Güçlü CP probleminden nötrino kütlelerine, parçacıkların neden geri kalan kütlelere sahip olduklarını açıklamaya kadar sayısız başka bulmacaya bir çözümümüz yok.
Bilim adamları, Büyük Hadron Çarpıştırıcısını 2030'larda çalıştırmayı ve paralel olarak bir dizi düşük enerji deneyi gerçekleştirmeyi planlıyor. Ancak bir cevap ya da en azından ikna edici bir ipucu ortaya koymadıkça, insanlık tartışmalı bir soruyla karşı karşıya kalacak: Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nın bize öğretebileceklerinin ötesine bakmak için üstün, yeni nesil bir çarpıştırıcı mı inşa etmeliyiz? Parçacık fiziğinin geleceği - ve sonunda bu gizemleri çözme şansı - tehlikede.
İlham veren ve sonunda birleşen iki yerçekimi kaynağınız (yani kütleler) olduğunda, bu hareket yerçekimi dalgalarının yayılmasına neden olur. Sezgisel olmasa da, bir yerçekimi dalgası dedektörü bu dalgalara 1/r² olarak değil, 1/r'nin bir fonksiyonu olarak duyarlı olacak ve bu dalgaları yüz yüze veya yüz yüze olmalarına bakılmaksızın tüm yönlerde görecektir. kenarda veya arada herhangi bir yerde. (NASA, ESA ve A. FEILD (STSCI))
2.) Yerçekimi dalgalarının doğrudan tespiti . Einstein 1915'te Genel Görelilik teorisini ortaya koyduğunda, bu paradigma değiştiren yeni çerçeve içinde yeterince çalışılmamış bir sürü sonuç vardı. Bununla birlikte, onlarca yıllık teorik çalışmanın ardından, kütleler Evrende hareket ettikçe, uzay-zamanın eğriliğinin değiştiği ve eğriliği zamanla değişen bir uzay-zamanda hareket eden kütlelerin yeni bir radyasyon biçimi yayması gerektiği ortaya çıktı: yerçekimi dalgaları.
Bu radyasyonun dolaylı sonuçları pulsar verilerinde uzun zaman önce ortaya çıkmış olsa da, nihai amaç her zaman bu dalgalanmaları doğrudan tespit etmekti. 2015 yılında LIGO işbirliğinin öncülüğünde yeni nesil yerçekimi dalgası dedektörleri devreye girdiğinde, yepyeni bir alan doğdu: yerçekimi dalgası astronomisi. İlk kez, bu dalgalanmalar, insan yapımı dedektörlerde gözlemlenebilir, tanımlanabilir sinyaller bırakarak varlıklarını doğrudan ortaya çıkardı.
Run II'nin sonunda LIGO ve Virgo'nun gözlemlediği birleşen kara deliklerin bir görselleştirmesinin durağan görüntüsü. Kara deliklerin ufukları bir araya gelip birleştikçe, yayılan yerçekimi dalgaları daha yüksek (daha büyük genlik) ve daha yüksek perdeli (daha yüksek frekans) hale gelir. Birleşen kara delikler 7,6 güneş kütlesinden 50.6 güneş kütlesine kadar değişir ve her birleşme sırasında toplam kütlenin yaklaşık %5'i kaybolur. Dalganın frekansı, Evrenin genişlemesinden etkilenir. (TERESİTA RAMIREZ/GEOFFREY LOVELACE/SXS İŞBİRLİĞİ/LIGO-VIRGO İŞBİRLİĞİ)
İki tür sinyal zaten doğrudan görüldü: ikili kara deliklerin inspirasyonuna ve birleşmesine karşılık gelen sinyaller ve iki nötron yıldızının birleşmesine karşılık gelen sinyaller. Birincisi, LIGO'nun gördüğü açık ara en sık görülen sinyal türüdür, daha önce hiç görülmemiş bir kütle aralığındaki kara delikleri ortaya çıkarır ve bize bu yıldız kalıntılarının nüfus istatistiklerini öğretirken, ikincisi elektromanyetik sinyallerle birlikte gelir. , Evrendeki en ağır elementlerin kökenini belirlememize izin veriyor.
LIGO ve Virgo gibi dedektörler, menzillerini ve hassasiyetlerini artıracak şekilde halihazırda yükseltilmiştir ve bu mevcut çalışma henüz yalnızca yeni algılamaları değil, aynı zamanda nötron yıldızı-kara delik birleşmeleri, kara delik gibi yerçekimi dalgaları oluşturan yeni nesne sınıflarını da ortaya çıkarabilir. daha önce hiç görülmemiş daha hafif kütleli delikler veya muhtemelen pulsar depremleri, süpernovalar veya tamamen şaşırtıcı bir şey.
İki kol tam olarak eşit uzunlukta olduğunda ve içinden geçen hiçbir yerçekimi dalgası olmadığında, sinyal sıfırdır ve girişim deseni sabittir. Kol uzunlukları değiştikçe, sinyal gerçek ve salınımlıdır ve girişim deseni zamanla tahmin edilebilir bir şekilde değişir. (NASA'NIN UZAY YERİ)
2010'lar yerini 2020'lere ve ötesine bırakırken, yerçekimi dalgası dedektörleri boyut, hassasiyet ve kapsam olarak artmaya devam edecek ve bugün sadece hayal edebildiğimiz sinyalleri ortaya çıkarma olasılığını açacak. Süper kütleli kara deliklere düşen nesneler ve şişmenin son anlarında oluşan kütleçekim dalgaları gibi ufkumuzdadır: Evrenin sıcak Büyük Patlama'yı önceleyen ve oluşturan evresi.
Çok yakın zamana kadar, insanlık yerçekimi dalgalarının var olduğundan bile emin değildi. Bu sinyallerin enstrümanlarımızda görüneceğinden veya teorik tahminlerimizin gerçeklikle uyumlu olacağından emin değildik. Son dört yıl bize sadece Einstein'ın haklı olduğunu değil, elektromanyetik (ışık) sinyallerin algılanmasının ötesinde keşfedilecek koca bir Evren olduğunu da gösterdi. Bu yüzyıl, yeni bir astronomi türünün yüzyılı olmayı vaat ediyor: yerçekimi dalgası astronomisi. Onunla ne kadar ileri gideceğimiz tamamen bize bağlı.
Event Horizon Telescope'un yayınlanan ilk görüntüsü, 22,5 mikroar saniyelik çözünürlüklere ulaşarak, dizinin M87'nin merkezindeki kara deliğin olay ufkunu çözmesini sağladı. Aynı keskinliği elde etmek için tek çanaklı bir teleskopun 12.000 km çapında olması gerekir. Kara deliğin etrafındaki özelliklerin zamanla değiştiğini gösteren 5/6 Nisan görüntüleri ile 10/11 Nisan görüntüleri arasındaki farklı görünümlere dikkat edin. Bu, farklı gözlemleri yalnızca zaman ortalamasını almak yerine senkronize etmenin önemini göstermeye yardımcı olur. (ETKİNLİK UFUK TELESKOP İŞBİRLİĞİ)
3.) Bir kara deliğin olay ufkunu doğrudan tespit etmek . Üçünden en yenisi olan bu başarı, yalnızca Messier 87 galaksisinin merkezindeki süper kütleli kara deliğin ünlü halka görüntüsünün yayınlandığı 2019 yılının Nisan ayına kadar uzanıyor. Yüzlerce bilim insanının dünyanın her yerindeki radyo teleskopları ve dizi dizi radyo teleskoplarıyla eş zamanlı olarak toplanan petabaytlarca veriyi kullanmasını gerektiren bu resim, buzdağının sadece görünen kısmı.
Elbette, ilk kez bir olay ufkunu görmek ve Einstein'ın Genel Görelilik kuramının bir başka öngörüsünü doğrulamak harika. ALMA gibi yeni dizilimlerin ortaya çıkmasıyla teknik olarak mümkün hale gelen bir tekniği kullanan, inanılmaz bir teknik başarıdır. Bu kadar çok gözlemevinin bu gözlemleri yapmak için dünya çapında birbirleriyle koordineli çalışabilmesi dikkat çekicidir. Ama bu en büyük hikaye değil.
Bu diyagram, M87'nin 2017 Event Horizon Telescope gözlemlerinde kullanılan tüm teleskopların ve teleskop dizilerinin konumunu göstermektedir. Sadece Güney Kutbu Teleskobu, M87'yi, o galaksinin merkezini görmek için Dünya'nın yanlış kısmında bulunduğundan görüntüleyemedi. Bu konumların her biri, diğer ekipmanların yanı sıra bir atom saati ile donatılmıştır. (NRAO)
Tüm bunlarla ilgili en dikkat çekici gerçek, birkaç yıl önce hayal bile edilemeyen hassasiyetlere kadar zamanla sürekli değişen yapıları araştırıyor olmamız. Event Horizon Teleskopu'nun çözünürlüğü, 12.000 kilometre çapındaki tek çanaklı bir teleskobun eşdeğeridir: Ay'daki bir insan yumruğunun Dünya'daki bir insana göründüğü boyut.
İnsan yumruğu örneğine çok benzer şekilde, gözlemlediğimiz yapılar sürekli değişen, ancak zaman içinde yalnızca bir anlık görüntü gözlemleyen yapılardır. Kara deliğin 5/6 Nisan görüntüleri birbirine benziyor, ancak 10/11 Nisan görüntülerinden farklı, bu da gözlemlediğimiz fotonların zamanla değiştiğini gösteriyor.
Çok yakın bir gelecekte, kara delik parlamalarının sinyallerini, düşen maddeyi, yığılma akışındaki değişiklikleri ve sadece radyo ışığının değil, bu ışığın kutuplaşmasının haritalarını da ortaya çıkarabilmeyi umuyoruz. Ancak daha uzak bir gelecekte, uygun şekilde donatılmış radyo teleskoplarını uzaya fırlatmaya başlayabilir, onları yerdeki gözlemevlerimizle senkronize edebilir ve Event Horizon Telescope'un temel çizgisini (ve dolayısıyla çözünürlüğünü) çok daha yüksek hassasiyetlere genişletebiliriz.
Toplama diskinin yüz yüze (soldaki iki panel) veya kenardan (sağdaki iki panel) yönelimi, kara deliğin bize nasıl göründüğünü büyük ölçüde değiştirebilir. Henüz kara delikler ve yığılma diskleri arasında evrensel bir hizalama veya bir dizi rastgele hizalama olup olmadığını bilmiyoruz. ('Olay Ufukuna Doğru — GALAKTİK MERKEZDEKİ SUPERMASİF KARA DELİK', CLASS. QUANTUM GRAV., FALCKE & MARKOFF (2013)
Önümüzdeki on yıllar ilerledikçe, Evrendeki bir veya iki süper kütleli kara deliğin nasıl evrimleştiğini değil, düzinelerce hatta yüzlercesini ölçeceğiz. Kendi galaksimizde bulundukları ve dolayısıyla nispeten büyük göründükleri için, yıldız kütleli kara deliklerin de kıvrıma girmesi olasıdır. Bir sürprizle karşılaşmamız bile mümkün ve sessiz görünen kara delikler, sonuçta bu teleskop dizilerinin alabileceği radyo imzaları sergileyecek.
Evreni keşfetmeye devam etmek için belirlenmiş açık bir yol var ve tek güvendiği şey, halihazırda yapmakta olduğumuz şeyi genişletmek. Doğanın halihazırda keşfedilmiş sınırların ötesinde hangi sırları sakladığını bilmiyoruz, ancak kesin olarak bildiğimiz bir şey var: Bakmazsak asla öğrenemeyeceğiz.
Bir Patlama İle Başlar şimdi Forbes'ta , ve 7 günlük bir gecikmeyle Medium'da yeniden yayınlandı. Ethan iki kitap yazdı, Galaksinin Ötesinde , ve Treknology: Tricorder'lardan Warp Drive'a Uzay Yolu Bilimi .