Nova fizika blista s mnogih mjesta

Sve moguće promjene koje bismo željeli napraviti u Standardnom modelu fizike (1) ili općoj relativnosti, naše dvije najbolje (iako nespojive) teorije svemira, već su vrlo ograničene. Drugim riječima, ne možete puno promijeniti a da ne potkopate cjelinu.

Činjenica je da postoje i rezultati i fenomeni koji se ne mogu objasniti na temelju nama poznatih modela. Trebamo li se dakle potruditi da sve što je neobjašnjivo ili nedosljedno po svaku cijenu učinimo u skladu s postojećim teorijama ili bismo trebali tražiti nove? Ovo je jedno od temeljnih pitanja moderne fizike.

Standardni model fizike čestica uspješno je objasnio sve poznate i otkrivene interakcije između čestica koje su ikada promatrane. Svemir se sastoji od kvarkovi, leptonov i gauge bozoni, koji prenose tri od četiri temeljne sile u prirodi i daju česticama njihovu masu mirovanja. Tu je i opća teorija relativnosti, naša, nažalost, ne kvantna teorija gravitacije, koja opisuje odnos između prostora-vremena, materije i energije u svemiru.

Poteškoća nadilaženja ove dvije teorije je u tome što ako ih pokušate promijeniti uvođenjem novih elemenata, pojmova i veličina, dobit ćete rezultate koji su u suprotnosti s mjerenjima i opažanjima koja već imamo. Također je vrijedno zapamtiti da ako želite ići izvan našeg trenutnog znanstvenog okvira, teret dokazivanja je ogroman. S druge strane, teško je ne očekivati ​​toliko od nekoga tko potkopava modele isprobane desetljećima.

Suočeni s takvim zahtjevima, ne čudi da rijetko tko pokušava u potpunosti osporiti postojeću paradigmu u fizici. A ako i jest, uopće se ne shvaća ozbiljno jer brzo naiđe na jednostavne provjere. Dakle, ako vidimo potencijalne rupe, onda su to samo reflektori koji signaliziraju da negdje nešto svijetli, ali nije jasno isplati li se tamo uopće ići.

Poznata fizika ne može upravljati svemirom

Primjeri svjetlucanja ovog “potpuno novog i drugačijeg”? Pa, na primjer, promatranja stope trzaja, koja se čine nedosljednima s izjavom da je Svemir ispunjen samo česticama Standardnog modela i da se pokorava općoj teoriji relativnosti. Znamo da pojedinačni izvori gravitacije, galaksije, jata galaksija, pa čak ni velika kozmička mreža možda nisu dovoljni da objasne ovaj fenomen. Znamo da, iako Standardni model navodi da se materija i antimaterija trebaju stvarati i uništavati u jednakim količinama, živimo u svemiru sastavljenom uglavnom od materije s malom količinom antimaterije. Drugim riječima, vidimo da "poznata fizika" ne može objasniti sve što vidimo u svemiru.

Mnogi eksperimenti dali su neočekivane rezultate koji bi, ako se testiraju na višoj razini, mogli biti revolucionarni. Čak i takozvana atomska anomalija koja ukazuje na postojanje čestica može biti eksperimentalna pogreška, ali također može biti znak napuštanja standardnog modela. Različite metode mjerenja svemira daju različite vrijednosti za brzinu njegovog širenja - problem koji smo detaljno razmatrali u jednom od nedavnih izdanja MT-a.

Međutim, niti jedna od ovih anomalija ne daje dovoljno uvjerljive rezultate da bi se smatrala neospornim znakom nove fizike. Bilo koji ili sve od njih mogu jednostavno biti statističke fluktuacije ili pogrešno kalibrirani instrument. Mnogi od njih mogu upućivati ​​na novu fiziku, ali se jednako lako mogu objasniti korištenjem poznatih čestica i fenomena u kontekstu opće relativnosti i Standardnog modela.

Planiramo eksperimentirati, nadajući se jasnijim rezultatima i preporukama. Možda ćemo uskoro vidjeti ima li tamna energija konstantnu vrijednost. Na temelju planiranih studija galaksija od strane Zvjezdarnice Vera Rubin i podataka o udaljenim supernovama koji će biti dostupni u budućnosti. teleskop Nancy Grace, prije PRVO, moramo otkriti razvija li se tamna energija s vremenom do unutar 1%. Ako je tako, onda će se naš "standardni" kozmološki model morati promijeniti. Moguće je da će nas svemirska laserska interferometarska antena (LISA) u planu također iznenaditi. Ukratko, računamo na promatračka vozila i eksperimente koje planiramo.

Također još uvijek radimo na polju fizike čestica, nadajući se da ćemo pronaći fenomene izvan Modela, kao što je točnije mjerenje magnetskih momenata elektrona i miona – ako se ne slažu, pojavljuje se nova fizika. Radimo na tome da otkrijemo kako oni fluktuiraju neutrina – i ovdje blista nova fizika. A ako izgradimo precizni sudarač elektron-pozitron, kružni ili linearni (2), možemo otkriti stvari izvan Standardnog modela koje LHC još ne može otkriti. U svijetu fizike odavno se predlaže veća verzija LHC-a s opsegom do 100 km. To bi dalo veće energije sudara, što bi, prema mnogim fizičarima, konačno signaliziralo nove pojave. No, riječ je o iznimno skupoj investiciji, a gradnja diva samo po principu – “sagradimo ga pa ćemo vidjeti što će nam pokazati” izaziva dosta dvojbi.

2. Linearni leptonski sudarač - vizualizacija

Postoje dvije vrste pristupa problemima u fizikalnoj znanosti. Prvi je složen pristup, koji se sastoji u uskom dizajnu eksperimenta ili zvjezdarnice za rješavanje određenog problema. Drugi pristup naziva se metoda grube sile.koji razvija univerzalni eksperiment ili opservatorij koji pomiče granice kako bi istražio svemir na potpuno nov način od naših prethodnih pristupa. Prvi je bolje orijentiran u Standardnom modelu. Drugi vam omogućuje da pronađete tragove nečega više, ali, nažalost, to nešto nije točno definirano. Dakle, obje metode imaju svoje nedostatke.

Potražite takozvanu teoriju svega (TUT), sveti gral fizike, treba staviti u drugu kategoriju, budući da se najčešće svodi na pronalaženje sve viših i viših energija (3), pri čemu sile priroda se na kraju spoji u jednu interakciju.

3. Energije potrebne za hipotetsko ujedinjenje interakcija

Nisfornov neutrino

U posljednje vrijeme znanost se sve više fokusira na zanimljivija područja, poput istraživanja neutrina, o čemu smo nedavno objavili opsežno izvješće u MT-u. U veljači 2020. Astrophysical Journal objavio je publikaciju o otkriću visokoenergetskih neutrina nepoznatog podrijetla na Antarktiku. Osim dobro poznatog eksperimenta, na ledenom kontinentu provedeno je i istraživanje pod kodnim imenom ANITA (), koje se sastojalo u puštanju balona sa senzorom Radio valovi.

Obje i ANITA dizajnirane su za traženje radio valova od visokoenergetskih neutrina koji se sudaraju s čvrstom tvari koja čini led. Avi Loeb, predsjednik Odsjeka za astronomiju Harvarda, objasnio je na web stranici Salona: “Događaji koje je detektirala ANITA zasigurno se čine kao anomalija jer se ne mogu objasniti kao neutrini iz astrofizičkih izvora. (...) To bi mogla biti neka vrsta čestice koja slabije djeluje od neutrina s običnom materijom. Sumnjamo da takve čestice postoje kao tamna tvar. Ali što čini ANITA događaje tako energičnim?”

Neutrini su jedine poznate čestice koje krše Standardni model. Prema Standardnom modelu elementarnih čestica moramo imati tri vrste neutrina (elektronski, mionski i tau) i tri vrste antineutrina, a nakon nastanka moraju biti stabilni i nepromijenjeni u svojim svojstvima. Od 60-ih, kada su se pojavili prvi izračuni i mjerenja neutrina koje proizvodi Sunce, shvatili smo da postoji problem. Znali smo u koliko je elektronskih neutrina nastalo solarna jezgra. No, kad smo izmjerili koliko ih je stiglo, vidjeli smo tek trećinu predviđenog broja.

Ili nešto nije u redu s našim detektorima, ili nešto nije u redu s našim modelom Sunca, ili nešto nije u redu sa samim neutrinima. Eksperimenti na reaktorima brzo su opovrgli ideju da nešto nije u redu s našim detektorima (4). Radili su kako se očekivalo i njihov je nastup vrlo dobro ocijenjen. Neutrini koje smo otkrili registrirani su proporcionalno broju pristiglih neutrina. Desetljećima su mnogi astronomi tvrdili da je naš solarni model pogrešan.

4. Slike neutrina u zračenju Čerenkova s ​​detektora Super Kamiokande

Naravno, postojala je još jedna egzotična mogućnost koja bi, ako je točna, promijenila naše razumijevanje svemira u odnosu na ono što je predviđao Standardni model. Ideja je da tri vrste neutrina koje poznajemo zapravo imaju masu, a ne bez mesa, te da se mogu miješati (fluktuirati) kako bi promijenili okuse ako imaju dovoljno energije. Ako je neutrino elektronski pokrenut, može se promijeniti na putu do mion i taonovali to je moguće samo kada ima masu. Znanstvenici su zabrinuti zbog problema desnog i lijevog neutrina. Jer ako ga ne možete razlikovati, ne možete razlikovati je li čestica ili antičestica.

Može li neutrino biti vlastita antičestica? Ne prema uobičajenom Standardnom modelu. Fermioniopćenito ne bi trebali biti svoje vlastite antičestice. Fermion je svaka čestica čija je rotacija ± XNUMX/XNUMX. Ova kategorija uključuje sve kvarkove i leptone, uključujući neutrine. Međutim, postoji posebna vrsta fermiona, koja zasad postoji samo u teoriji - Majoranov fermion, koji je vlastita antičestica. Da postoji, moglo bi se dogoditi nešto posebno... bez neutrina dvostruki beta raspad. I ovdje je prilika za eksperimentatore koji dugo traže takav jaz.

U svim promatranim procesima koji uključuju neutrine, te čestice pokazuju svojstvo koje fizičari nazivaju ljevorukošću. Desnorukih neutrina, koji su najprirodniji nastavak Standardnog modela, nema nigdje. Sve ostale MS čestice imaju desnu verziju, ali neutrini nemaju. Zašto? Najnovija, iznimno opsežna analiza međunarodnog tima fizičara, uključujući Institut za nuklearnu fiziku Poljske akademije znanosti (IFJ PAN) u Krakowu, provela je istraživanje o ovom pitanju. Znanstvenici vjeruju da bi nedostatak promatranja desnih neutrina mogao dokazati da se radi o Majoraninim fermionima. Ako jesu, onda je njihova desna verzija iznimno masivna, što objašnjava poteškoću detekcije.

Ipak, još uvijek ne znamo jesu li neutrini sami po sebi antičestice. Ne znamo dobivaju li svoju masu iz vrlo slabog vezanja Higgsovog bozona, ili je dobivaju putem nekog drugog mehanizma. A ne znamo, možda je sektor neutrina puno složeniji nego što mislimo, sa sterilnim ili teškim neutrinima koji vrebaju u mraku.

Atomi i druge anomalije

U fizici elementarnih čestica, osim modernih neutrina, postoje i druga, manje poznata područja istraživanja iz kojih "nova fizika" može zasjati. Znanstvenici su, na primjer, nedavno predložili novu vrstu subatomske čestice da objasne zagonetnu raspad kao (5), poseban slučaj mezonske čestice koja se sastoji od jedan kvark i jedan trgovac starinama. Kada se čestice kaona raspadnu, mali dio njih prolazi kroz promjene koje su iznenadile znanstvenike. Stil ovog raspada može ukazivati ​​na novu vrstu čestica ili novu fizičku silu na djelu. Ovo je izvan dosega Standardnog modela.

Postoji još eksperimenata za pronalaženje praznina u standardnom modelu. To uključuje potragu za g-2 mionom. Prije gotovo stotinu godina, fizičar Paul Dirac predvidio je magnetski moment elektrona koristeći g, broj koji određuje svojstva spina čestice. Tada su mjerenja pokazala da se "g" malo razlikuje od 2, a fizičari su počeli koristiti razliku između stvarne vrijednosti "g" i 2 za proučavanje unutarnje strukture subatomskih čestica i zakona fizike općenito. Godine 1959. CERN u Ženevi, Švicarska, proveo je prvi eksperiment koji je izmjerio vrijednost g-2 subatomske čestice nazvane mion, vezane za elektron, ali nestabilne i 207 puta teže od elementarne čestice.

Brookhaven National Laboratory u New Yorku započeo je vlastiti eksperiment i objavio rezultate svog g-2 eksperimenta 2004. godine. Mjerenje nije bilo ono što je predviđao Standardni model. Međutim, eksperiment nije prikupio dovoljno podataka za statističku analizu koja bi uvjerljivo dokazala da je izmjerena vrijednost doista bila drugačija, a ne samo statistička fluktuacija. Drugi istraživački centri sada provode nove eksperimente s g-2, a rezultate ćemo vjerojatno znati uskoro.

Ima nešto intrigantnije od ovoga Kaonske anomalije i mion. 2015. godine eksperiment raspadanja berilija 8Be pokazao je anomaliju. Znanstvenici u Mađarskoj koriste svoj detektor. Usput, međutim, otkrili su, ili mislili da su otkrili, što sugerira postojanje pete temeljne sile prirode.

Za studiju su se zainteresirali fizičari sa Sveučilišta u Kaliforniji. Predložili su da je fenomen tzv atomska anomalija, uzrokovana je potpuno novom česticom, koja je trebala nositi petu silu prirode. Zove se X17 jer se smatra da mu odgovarajuća masa iznosi gotovo 17 milijuna elektron-volti. To je 30 puta više od mase elektrona, ali manje od mase protona. A način na koji se X17 ponaša s protonom jedna je od njegovih najčudnijih značajki – to jest, uopće ne stupa u interakciju s protonom. Umjesto toga, on stupa u interakciju s negativno nabijenim elektronom ili neutronom, koji uopće nema naboj. To otežava uklapanje čestice X17 u naš trenutni standardni model. Bosoni su povezani sa silama. Gluoni su povezani s jakom silom, bozoni sa slabom silom, a fotoni s elektromagnetizmom. Postoji čak i hipotetski bozon za gravitaciju koji se zove graviton. Kao bozon, X17 će nositi vlastitu silu, poput one koja je do sada za nas bila misterij i mogla bi biti.

Svemir i njegov preferirani smjer?

U članku objavljenom ovog travnja u časopisu Science Advances, znanstvenici sa Sveučilišta New South Wales u Sydneyu izvijestili su da nova mjerenja svjetlosti koju emituje kvazar udaljen 13 milijardi svjetlosnih godina potvrđuju prethodne studije koje su pronašle male varijacije u finoj konstantnoj strukturi. svemira. Profesor John Webb iz UNSW (6) objašnjava da je konstanta fine strukture "veličina koju fizičari koriste kao mjeru elektromagnetske sile." elektromagnetska sila održava elektrone oko jezgri u svakom atomu u svemiru. Bez toga bi se sva materija raspala. Donedavno se smatralo stalnom silom u vremenu i prostoru. Ali u svom istraživanju u posljednja dva desetljeća, profesor Webb je uočio anomaliju u čvrstoj finoj strukturi u kojoj se čini da je elektromagnetska sila, mjerena u jednom odabranom smjeru u svemiru, uvijek malo drugačija.

"" objašnjava Webb. Nedosljednosti se nisu pojavile u mjerenjima australskog tima, već u usporedbi njihovih rezultata s mnogim drugim mjerenjima svjetlosti kvazara od strane drugih znanstvenika.

", kaže profesor Webb. "". Po njegovom mišljenju, čini se da rezultati sugeriraju da bi u svemiru mogao postojati preferirani smjer. Drugim riječima, svemir bi u nekom smislu imao dipolnu strukturu.

"" Kaže znanstvenik o označenim anomalijama.

Ovo je još jedna stvar: umjesto onoga što se mislilo da je nasumično širenje galaksija, kvazara, plinskih oblaka i planeta sa životom, svemir odjednom ima sjeverni i južni pandan. Profesor Webb je ipak spreman priznati da su rezultati mjerenja znanstvenika provedenih u različitim fazama korištenjem različitih tehnologija i s različitih mjesta na Zemlji zapravo velika slučajnost.

Webb ističe da ako postoji usmjerenost u svemiru i ako se pokaže da je elektromagnetizam neznatno drugačiji u određenim regijama svemira, bit će potrebno preispitati najtemeljnije koncepte koji stoje iza većeg dijela moderne fizike. "", govori. Model se temelji na Einsteinovoj teoriji gravitacije, koja eksplicitno pretpostavlja postojanost zakona prirode. A ako ne, onda ... pomisao na preokret cijele građevine fizike oduzima dah.