Nova fizika sije z mnogih strani

Vse možne spremembe, ki bi jih radi naredili v standardnem modelu fizike (1) ali splošni relativnosti, naših dveh najboljših (čeprav nezdružljivih) teorijah vesolja, so že zelo omejene. Z drugimi besedami, ne morete veliko spremeniti, ne da bi spodkopali celoto.

Dejstvo je, da obstajajo tudi rezultati in pojavi, ki jih ni mogoče pojasniti na podlagi nam znanih modelov. Naj se torej potrudimo, da vse, kar je nerazložljivo ali nedosledno, za vsako ceno naredimo skladno z obstoječimi teorijami, ali naj iščemo nove? To je eno temeljnih vprašanj sodobne fizike.

Standardni model fizike delcev je uspešno razložil vse znane in odkrite interakcije med delci, ki so jih kadarkoli opazili. Vesolje je sestavljeno iz kvarki, leptonov in merilne bozone, ki prenašajo tri od štirih temeljnih sil v naravi in ​​dajejo delcem njihovo maso mirovanja. Obstaja še splošna relativnost, naša, žal, ne kvantna teorija gravitacije, ki opisuje razmerje med prostorom-časom, materijo in energijo v vesolju.

Težava pri preseganju teh dveh teorij je v tem, da če ju poskušate spremeniti z uvajanjem novih elementov, konceptov in količin, boste dobili rezultate, ki so v nasprotju z meritvami in opazovanji, ki jih že imamo. Prav tako si velja zapomniti, da je dokazno breme ogromno, če želite preseči naš trenutni znanstveni okvir. Po drugi strani pa je težko ne pričakovati toliko od nekoga, ki spodkopava desetletja preizkušene modele.

Ob takšnih zahtevah ni presenetljivo, da le redkokdo skuša povsem oporekati obstoječi paradigmi v fiziki. In če že, ga sploh ne jemljejo resno, saj se hitro spotakne na enostavnih pregledih. Torej, če vidimo morebitne luknje, potem so to le odsevniki, ki sporočajo, da se nekje nekaj sveti, ni pa jasno, ali se tja sploh splača iti.

Znana fizika ne more obvladati vesolja

Primeri bleščanja tega "popolnoma novega in drugačnega"? No, na primer opazovanja stopnje odsuna, ki se zdijo v neskladju z izjavo, da je vesolje napolnjeno samo z delci standardnega modela in upošteva splošno teorijo relativnosti. Vemo, da posamezni viri gravitacije, galaksije, jate galaksij in celo velika kozmična mreža morda niso dovolj za razlago tega pojava. Vemo, da čeprav standardni model navaja, da je treba materijo in antimaterijo ustvariti in uničiti v enakih količinah, živimo v vesolju, sestavljenem večinoma iz materije z majhno količino antimaterije. Z drugimi besedami, vidimo, da »znana fizika« ne more pojasniti vsega, kar vidimo v vesolju.

Številni poskusi so prinesli nepričakovane rezultate, ki bi lahko bili, če bi jih preizkusili na višji ravni, revolucionarni. Tudi tako imenovana atomska anomalija, ki kaže na obstoj delcev, je lahko eksperimentalna napaka, lahko pa je tudi znak preseganja standardnega modela. Različne metode merjenja vesolja dajejo različne vrednosti za hitrost njegovega širjenja - problem, ki smo ga podrobno obravnavali v eni od nedavnih številk MT.

Vendar pa nobena od teh anomalij ne daje dovolj prepričljivih rezultatov, da bi jih lahko imeli za nesporen znak nove fizike. Kar koli ali vse od tega so lahko preprosto statistična nihanja ali nepravilno umerjen instrument. Mnogi od njih morda kažejo na novo fiziko, vendar jih je prav tako enostavno razložiti z uporabo znanih delcev in pojavov v kontekstu splošne teorije relativnosti in standardnega modela.

Načrtujemo eksperimentiranje, v upanju na jasnejše rezultate in priporočila. Morda bomo kmalu videli, ali ima temna energija konstantno vrednost. Na podlagi načrtovanih študij galaksij observatorija Vera Rubin in podatkov o oddaljenih supernovah, ki bodo na voljo v prihodnosti. teleskop Nancy Grace, prej WFIRST, moramo ugotoviti, ali se temna energija razvija s časom na 1 %. Če je tako, potem bo treba naš "standardni" kozmološki model spremeniti. Možno je, da nas bo vesoljska laserska interferometrska antena (LISA) v načrtu tudi presenetila. Skratka, računamo na opazovalna vozila in poskuse, ki jih načrtujemo.

Prav tako še vedno delamo na področju fizike delcev, v upanju, da bomo našli pojave zunaj modela, kot je natančnejša meritev magnetnih momentov elektrona in miona - če se ne strinjata, se pojavi nova fizika. Prizadevamo si ugotoviti, kako nihajo nevtrino – tudi tu zasije nova fizika. In če zgradimo natančen elektron-pozitronski trkalnik, krožen ali linearen (2), lahko zaznamo stvari zunaj standardnega modela, ki jih LHC še ne more zaznati. V svetu fizike se že dolgo predlaga večja različica LHC z obsegom do 100 km. To bi dalo višje energije trka, kar bi po mnenju mnogih fizikov končno signaliziralo nove pojave. Je pa to izjemno draga naložba in gradnja velikana le po principu – »zgradimo ga, pa bomo videli, kaj nam bo pokazal«, vzbuja veliko dvomov.

2. Linearni leptonski trkalnik - vizualizacija

V fizikalni znanosti obstajata dve vrsti pristopa k problemom. Prvi je kompleksen pristop, ki je sestavljen iz ozke zasnove eksperimenta ali observatorija za reševanje določenega problema. Drugi pristop se imenuje metoda surove sile.ki razvija univerzalni eksperiment ali observatorij za premikanje meja za raziskovanje vesolja na popolnoma nov način kot naši prejšnji pristopi. Prvi je bolje orientiran v standardnem modelu. Drugi vam omogoča, da najdete sledi nečesa več, vendar na žalost to nekaj ni natančno definirano. Tako imata obe metodi svoje pomanjkljivosti.

Poiščite tako imenovano teorijo vsega (TUT), sveti gral fizike, ki jo je treba uvrstiti v drugo kategorijo, saj se pogosteje spušča v iskanje vse višjih energij (3), pri katerih sile narava se sčasoma združi v eno interakcijo.

3. Energije, potrebne za hipotetično poenotenje interakcij

Nisfornov nevtrino

V zadnjem času se znanost vse bolj usmerja na bolj zanimiva področja, kot je na primer raziskovanje nevtrinov, o čemer smo nedavno objavili obsežno poročilo v MT. Februarja 2020 je revija Astrophysical Journal objavila publikacijo o odkritju visokoenergijskih nevtrinov neznanega izvora na Antarktiki. Poleg znanega eksperimenta so na zmrznjeni celini izvajali tudi raziskave pod kodnim imenom ANITA (), ki so sestavljale izpust balona s senzorjem. radijski valovi.

Oba in ANITA sta bila zasnovana za iskanje radijskih valov visokoenergijskih nevtrinov, ki trčijo v trdno snov, ki sestavlja led. Avi Loeb, predsednik Harvardskega oddelka za astronomijo, je na spletni strani Salona pojasnil: »Dogodki, ki jih je zaznala ANITA, se zagotovo zdijo kot anomalija, ker jih ni mogoče razložiti kot nevtrine iz astrofizičnih virov. (...) Lahko bi bil kakšen delec, ki z navadno snovjo deluje šibkeje kot nevtrino. Sumimo, da takšni delci obstajajo kot temna snov. Toda zakaj so dogodki ANITA tako energični?

Nevtrini so edini znani delci, ki kršijo standardni model. Po Standardnem modelu osnovnih delcev moramo imeti tri vrste nevtrinov (elektronske, mionske in tau) in tri vrste antinevtrinov, po nastanku pa morajo biti stabilni in nespremenjeni v svojih lastnostih. Od leta 60, ko so se pojavili prvi izračuni in meritve nevtrinov, ki jih proizvaja Sonce, smo ugotovili, da obstaja težava. Vedeli smo, koliko elektronskih nevtrinov je nastalo v sončno jedro. Ko pa smo izmerili, koliko jih je prispelo, smo videli le tretjino predvidenega števila.

Ali je nekaj narobe z našimi detektorji, ali je nekaj narobe z našim modelom Sonca, ali pa je nekaj narobe s samimi nevtrini. Reaktorski poskusi so hitro ovrgli idejo, da je z našimi detektorji nekaj narobe (4). Delali so po pričakovanjih in njihov nastop je bil zelo dobro ocenjen. Nevtrini, ki smo jih zaznali, so bili registrirani sorazmerno s številom prispelih nevtrinov. Številni astronomi že desetletja trdijo, da je naš solarni model napačen.

4. Slike nevtrinskih dogodkov v čerenkovskem sevanju detektorja Super Kamiokande

Seveda je obstajala še ena eksotična možnost, ki bi, če bi bila resnična, spremenila naše razumevanje vesolja od tega, kar je predvideval standardni model. Ideja je, da imajo tri vrste nevtrinov, ki jih poznamo, dejansko maso, ne vitko, in da lahko mešajo (nihajo) in spreminjajo okuse, če imajo dovolj energije. Če se nevtrino sproži elektronsko, se lahko spremeni na poti do mion i taonstoda to je mogoče le, če ima maso. Znanstveniki so zaskrbljeni zaradi problema desno- in levosučnih nevtrinov. Kajti če ga ne morete razlikovati, ne morete razlikovati, ali je delec ali antidelec.

Ali je lahko nevtrino svoj antidelec? Ne v skladu z običajnim standardnim modelom. Fermionina splošno ne bi smeli biti lastni antidelci. Fermion je vsak delec z rotacijo ± XNUMX/XNUMX. Ta kategorija vključuje vse kvarke in leptone, vključno z nevtrini. Vendar pa obstaja posebna vrsta fermionov, ki zaenkrat obstaja le v teoriji - Majoranov fermion, ki je svoj antidelec. Če bi obstajal, bi se morda dogajalo nekaj posebnega ... brez nevtrinov dvojni beta razpad. In tukaj je priložnost za eksperimentatorje, ki že dolgo iščejo takšno vrzel.

V vseh opazovanih procesih, ki vključujejo nevtrine, ti delci izkazujejo lastnost, ki jo fiziki imenujejo levičarstvo. Desnosučnih nevtrinov, ki so najbolj naravna razširitev standardnega modela, ni nikjer. Vsi drugi delci MS imajo desnosučno različico, nevtrini pa ne. Zakaj? Najnovejša, izjemno obsežna analiza mednarodne skupine fizikov, vključno z Inštitutom za jedrsko fiziko Poljske akademije znanosti (IFJ PAN) v Krakovu, je raziskala to vprašanje. Znanstveniki verjamejo, da bi pomanjkanje opazovanja desnih nevtrinov lahko dokazalo, da so Majoranini fermioni. Če so bili, potem je njihova desna različica izjemno masivna, kar pojasnjuje težave pri odkrivanju.

Še vedno pa ne vemo, ali so nevtrini sami antidelci. Ne vemo, ali svojo maso pridobijo zaradi zelo šibke vezave Higgsovega bozona ali pa jo dobijo prek kakšnega drugega mehanizma. In ne vemo, morda je sektor nevtrinov veliko bolj zapleten, kot si mislimo, s sterilnimi ali težkimi nevtrini, ki se skrivajo v temi.

Atomi in druge anomalije

V fiziki osnovnih delcev poleg modnih nevtrinov obstajajo tudi druga, manj znana področja raziskav, s katerih lahko zasije »nova fizika«. Znanstveniki so na primer nedavno predlagali novo vrsto subatomskih delcev, da bi pojasnili skrivnostno razpad kaona (5), poseben primer mezonskega delca, sestavljenega iz en kvark i en trgovec s starinami. Ko delci kaona razpadejo, se njihov majhen del spremeni, kar je presenetilo znanstvenike. Slog tega razpada lahko kaže na novo vrsto delcev ali novo fizično silo na delu. To je izven obsega standardnega modela.

Obstaja več poskusov za iskanje vrzeli v standardnem modelu. Sem spada iskanje miona g-2. Pred skoraj sto leti je fizik Paul Dirac napovedal magnetni moment elektrona z uporabo g, števila, ki določa spinske lastnosti delca. Potem so meritve pokazale, da se "g" nekoliko razlikuje od 2, in fiziki so razliko med dejansko vrednostjo "g" in 2 začeli uporabljati za proučevanje notranje zgradbe subatomskih delcev in fizikalnih zakonov na splošno. Leta 1959 je CERN v Ženevi v Švici izvedel prvi poskus, ki je izmeril vrednost g-2 subatomskega delca, imenovanega mion, ki je vezan na elektron, a je nestabilen in je 207-krat težji od osnovnega delca.

Nacionalni laboratorij Brookhaven v New Yorku je leta 2 začel z lastnim eksperimentom in objavil rezultate svojega eksperimenta g-2004. Meritev ni bila takšna, kot je predvideval standardni model. Vendar poskus ni zbral dovolj podatkov za statistično analizo, ki bi dokončno dokazala, da je bila izmerjena vrednost res drugačna in ne le statistično nihanje. Drugi raziskovalni centri zdaj izvajajo nove poskuse z g-2 in verjetno bomo kmalu izvedeli rezultate.

Nekaj ​​je bolj intrigantnega od tega Kaonske anomalije i mion. Leta 2015 je poskus razpada berilija 8Be pokazal anomalijo. Znanstveniki na Madžarskem uporabljajo svoj detektor. Mimogrede pa so odkrili ali mislili, da so odkrili, kar kaže na obstoj pete temeljne sile narave.

Za študijo so se začeli zanimati fiziki s kalifornijske univerze. Predlagali so, da se pojav, imenovan atomska anomalija, je povzročil popolnoma nov delec, ki naj bi nosil peto silo narave. Imenuje se X17, ker naj bi bila njegova ustrezna masa skoraj 17 milijonov elektronvoltov. To je 30-kratna masa elektrona, vendar manjša od mase protona. In način, kako se X17 obnaša s protonom, je ena njegovih najbolj nenavadnih lastnosti - to pomeni, da sploh ne deluje s protonom. Namesto tega interagira z negativno nabitim elektronom ali nevtronom, ki sploh nima naboja. Zaradi tega je delce X17 težko umestiti v naš trenutni standardni model. Bozoni so povezani s silami. Gluoni so povezani z močno silo, bozoni s šibko silo in fotoni z elektromagnetizmom. Obstaja celo hipotetični bozon za gravitacijo, imenovan graviton. Kot bozon bo X17 nosil lastno silo, kakršna je do zdaj za nas ostala skrivnost in bi lahko bila.

Vesolje in njegova prednostna smer?

V članku, objavljenem aprila letos v reviji Science Advances, so znanstveniki z Univerze v Novem Južnem Walesu v Sydneyju poročali, da nove meritve svetlobe, ki jo oddaja kvazar, oddaljen 13 milijard svetlobnih let, potrjujejo prejšnje študije, ki so odkrile majhne razlike v fini konstantni strukturi. vesolja. Profesor John Webb z UNSW (6) pojasnjuje, da je konstanta fine strukture "veličina, ki jo fiziki uporabljajo kot merilo elektromagnetne sile." elektromagnetna sila vzdržuje elektrone okoli jeder v vsakem atomu v vesolju. Brez tega bi vsa snov razpadla. Do nedavnega je veljal za stalno silo v času in prostoru. Toda v svojih raziskavah v zadnjih dveh desetletjih je profesor Webb opazil anomalijo v trdni fini strukturi, v kateri se zdi, da je elektromagnetna sila, merjena v eni izbrani smeri v vesolju, vedno nekoliko drugačna.

"" pojasnjuje Webb. Nedoslednosti se niso pojavile pri meritvah avstralske ekipe, temveč pri primerjavi njihovih rezultatov s številnimi drugimi meritvami kvazarske svetlobe drugih znanstvenikov.

"" pravi profesor Webb. "". Po njegovem mnenju se zdi, da rezultati kažejo, da morda obstaja prednostna smer v vesolju. Z drugimi besedami, vesolje bi imelo v nekem smislu dipolno strukturo.

"" Pravi znanstvenik o izrazitih anomalijah.

To je še ena stvar: namesto tistega, za kar se je mislilo, da je naključna razporeditev galaksij, kvazarjev, plinskih oblakov in planetov z življenjem, ima vesolje nenadoma severni in južni dvojnik. Profesor Webb je kljub temu pripravljen priznati, da so rezultati meritev znanstvenikov, izvedenih na različnih stopnjah z uporabo različnih tehnologij in z različnih krajev na Zemlji, pravzaprav ogromno naključje.

Webb poudarja, da če obstaja usmerjenost v vesolju in če se izkaže, da je elektromagnetizem v določenih delih vesolja nekoliko drugačen, bo treba ponovno pregledati najbolj temeljne koncepte, ki stojijo za večino sodobne fizike. "", govori. Model temelji na Einsteinovi teoriji gravitacije, ki izrecno predpostavlja stalnost naravnih zakonov. In če ne, potem ... misel, da bi spremenili celotno zgradbo fizike, je dih jemajoča.