Iš daugelio vietų sklinda nauja fizika

Bet kokie galimi fizikos standartinio modelio (1) arba bendrojo reliatyvumo, mūsų dviejų geriausių (nors ir nesuderinamų) visatos teorijų, pakeitimai jau yra labai riboti. Kitaip tariant, jūs negalite daug ką pakeisti nepakenkiant visumai.

Faktas yra tas, kad yra ir rezultatų bei reiškinių, kurių negalima paaiškinti remiantis mums žinomais modeliais. Taigi ar turėtume daryti viską, kad viskas būtų nepaaiškinama ar nesuderinama bet kokia kaina, kad atitiktų esamas teorijas, ar turėtume ieškoti naujų? Tai vienas iš pagrindinių šiuolaikinės fizikos klausimų.

Standartinis dalelių fizikos modelis sėkmingai paaiškino visas žinomas ir atrastas sąveikas tarp dalelių, kurios kada nors buvo pastebėtos. Visata sudaryta iš kvarkai, leptonovas ir matuoti bozonus, kurie perduoda tris iš keturių pagrindinių gamtos jėgų ir suteikia dalelėms ramybės masę. Taip pat yra bendrasis reliatyvumas, mūsų, deja, ne kvantinė gravitacijos teorija, kuri apibūdina ryšį tarp erdvės-laiko, materijos ir energijos visatoje.

Sunku peržengti šias dvi teorijas, kad jei bandysite jas pakeisti įvesdami naujus elementus, sąvokas ir dydžius, gausite rezultatus, kurie prieštarauja mūsų jau turimiems matavimams ir stebėjimams. Taip pat verta atsiminti, kad jei norite peržengti mūsų dabartinės mokslinės sistemos ribas, įrodinėjimo našta yra didžiulė. Kita vertus, sunku nesitikėti tiek iš žmogaus, kuris menkina dešimtmečius išbandytus modelius.

Esant tokiems reikalavimams, nenuostabu, kad vargu ar kas bando visiškai mesti iššūkį esamai fizikos paradigmai. O jei taip, tai visai rimtai nežiūrima, nes greitai užkliūva ant paprastų patikrinimų. Taigi, jei matome potencialias skylutes, tai tai tik atšvaitai, signalizuojantys, kad kažkur kažkas šviečia, bet neaišku ar išvis verta ten eiti.

Žinoma fizika negali susidoroti su visata

Šio „visiškai naujo ir kitokio“ mirgėjimo pavyzdžiai? Na, pavyzdžiui, atatrankos greičio stebėjimai, kurie atrodo nesuderinami su teiginiu, kad Visata užpildyta tik standartinio modelio dalelėmis ir paklūsta bendrajai reliatyvumo teorijai. Žinome, kad atskirų gravitacijos šaltinių, galaktikų, galaktikų grupių ir net didžiojo kosminio tinklo galbūt nepakanka šiam reiškiniui paaiškinti. Žinome, kad nors standartiniame modelyje teigiama, kad materija ir antimedžiaga turi būti sukuriamos ir sunaikinamos vienodais kiekiais, mes gyvename visatoje, kurią daugiausia sudaro materija su nedideliu kiekiu antimedžiagos. Kitaip tariant, matome, kad „žinoma fizika“ negali paaiškinti visko, ką matome visatoje.

Daugelis eksperimentų davė netikėtų rezultatų, kurie, jei būtų išbandyti aukštesniu lygiu, galėtų būti revoliuciniai. Netgi vadinamoji atominė anomalija, rodanti dalelių egzistavimą, gali būti eksperimentinė klaida, tačiau tai taip pat gali būti ženklas, kad peržengiama standartinio modelio riba. Skirtingi Visatos matavimo metodai suteikia skirtingas jos plėtimosi greičio vertes - problemą, kurią išsamiai apsvarstėme viename iš naujausių MT numerių.

Tačiau nė viena iš šių anomalijų neduoda pakankamai įtikinamų rezultatų, kad būtų galima laikyti neginčijamu naujosios fizikos ženklu. Bet kuris arba visi iš jų gali būti tiesiog statistiniai svyravimai arba neteisingai sukalibruotas instrumentas. Daugelis iš jų gali nurodyti naują fiziką, tačiau juos taip pat galima lengvai paaiškinti naudojant žinomas daleles ir reiškinius bendrosios reliatyvumo teorijos ir standartinio modelio kontekste.

Planuojame eksperimentuoti, tikėdamiesi aiškesnių rezultatų ir rekomendacijų. Netrukus pamatysime, ar tamsioji energija turi pastovią vertę. Remiantis Vera Rubin observatorijos planuojamais galaktikų tyrimais ir duomenimis apie tolimas supernovas, kurios bus prieinamos ateityje. Nancy Grace teleskopas, anksčiau WFIRST, turime išsiaiškinti, ar tamsioji energija laikui bėgant vystosi 1 proc. Jei taip, tuomet mūsų „standartinį“ kosmologinį modelį teks keisti. Gali būti, kad kosminio lazerinio interferometro antena (LISA) pagal planą mums taip pat pateiks netikėtumų. Trumpai tariant, mes tikimės stebėjimo transporto priemonių ir planuojamų eksperimentų.

Taip pat vis dar dirbame dalelių fizikos srityje, tikėdamiesi rasti reiškinių už Modelio ribų, pavyzdžiui, tiksliau išmatuoti elektrono ir miuono magnetinius momentus – jei jie nesutinka, atsiranda nauja fizika. Stengiamės išsiaiškinti, kaip jie svyruoja neutrino – čia irgi persmelkia nauja fizika. Ir jei sukursime tikslų elektronų-pozitronų greitintuvą, apskritą ar linijinį (2), galime aptikti dalykus, kurie nėra standartinio modelio, kurių LHC dar negali aptikti. Fizikos pasaulyje jau seniai siūloma didesnė LHC versija, kurios apimtis siekia iki 100 km. Tai suteiktų didesnes susidūrimo energijas, kurios, daugelio fizikų nuomone, pagaliau signalizuotų apie naujus reiškinius. Tačiau tai itin brangi investicija, o milžino statyba tik principu – „pastatykime ir pažiūrėkime, ką mums parodys“, kelia daug abejonių.

2. Linijinis leptono greitintuvas – vizualizacija

Fizikos moksle yra dviejų tipų požiūris į problemas. Pirmasis yra sudėtingas požiūris, kurį sudaro siauras eksperimento arba observatorijos dizainas, skirtas konkrečiai problemai išspręsti. Antrasis metodas vadinamas brutalios jėgos metodu.kuris kuria universalų, ribas stumiantį eksperimentą ar observatoriją, siekdamas ištirti visatą visiškai nauju būdu nei mūsų ankstesni metodai. Pirmasis yra geriau orientuotas į standartinį modelį. Antrasis leidžia rasti kažko daugiau pėdsakų, bet, deja, šis kažkas nėra tiksliai apibrėžtas. Taigi abu metodai turi savo trūkumų.

Ieškokite vadinamosios visko teorijos (TUT), fizikos šventojo gralio, turėtų būti priskirta antrajai kategorijai, nes dažniausiai reikia surasti vis aukštesnes energijas (3), kuriose veikia gamta galiausiai susijungia į vieną sąveiką.

3. Energijos, reikalingos hipotetiniam sąveikų suvienodinimui

Nisforno neutrinas

Pastaruoju metu mokslas vis labiau susikoncentruoja į įdomesnes sritis, tokias kaip neutrinų tyrimai, apie kuriuos neseniai paskelbėme išsamią ataskaitą MT. 2020 m. vasarį „Astrophysical Journal“ paskelbė publikaciją apie neaiškios kilmės didelės energijos neutrinų atradimą Antarktidoje. Be gerai žinomo eksperimento, šaltame žemyne ​​taip pat buvo atlikti tyrimai kodiniu pavadinimu ANITA (), kuriuos sudarė baliono su jutikliu paleidimas. Radio bangos.

Ir ANITA, ir ANITA buvo skirti ieškoti radijo bangų iš didelės energijos neutrinų, susidūrusių su kietąja medžiaga, kuri sudaro ledą. Avi Loebas, Harvardo astronomijos katedros pirmininkas, salono svetainėje paaiškino: „ANITA aptikti įvykiai tikrai atrodo kaip anomalija, nes jų negalima paaiškinti kaip neutrinus iš astrofizinių šaltinių. (...) Tai gali būti kažkokia dalelė, kuri su įprasta medžiaga sąveikauja silpniau nei neutrinas. Įtariame, kad tokios dalelės egzistuoja kaip tamsioji medžiaga. Bet kas daro ANITA renginius tokiais energingais?

Neutrinai yra vienintelės žinomos dalelės, pažeidžiančios standartinį modelį. Pagal Standartinį elementariųjų dalelių modelį turime turėti trijų tipų neutrinus (elektroninius, miuoninius ir tau) ir trijų tipų antineutrinus, o susidarius jie turi būti stabilūs ir nepakitę savo savybėmis. Nuo septintojo dešimtmečio, kai pasirodė pirmieji Saulės gaminamų neutrinų skaičiavimai ir matavimai, supratome, kad yra problema. Mes žinojome, kiek elektronų neutrinų susidarė saulės branduolys. Bet kai pamatavome, kiek atvyko, pamatėme tik trečdalį prognozuoto skaičiaus.

Arba kažkas negerai su mūsų detektoriais, arba kažkas negerai su mūsų saulės modeliu, arba kažkas negerai su pačiais neutrinais. Eksperimentai su reaktoriumi greitai paneigė mintį, kad kažkas negerai su mūsų detektoriais (4). Jie dirbo taip, kaip tikėtasi, o jų veikla buvo labai gerai įvertinta. Mūsų aptikti neutrinai buvo užregistruoti proporcingai atvykstančių neutrinų skaičiui. Dešimtmečius daugelis astronomų įrodinėjo, kad mūsų saulės modelis yra neteisingas.

4. Neutrinų įvykių vaizdai Čerenkovo ​​spinduliuotėje iš Super Kamiokande detektoriaus

Žinoma, buvo ir kita egzotiška galimybė, kuri, jei tiesa, pakeis mūsų supratimą apie visatą nuo to, ką numatė standartinis modelis. Idėja yra ta, kad trijų tipų neutrinai iš tikrųjų turi masę, o ne liesas, ir kad jie gali maišyti (svyruoti), kad pakeistų skonį, jei turi pakankamai energijos. Jei neutrinas suveikia elektroniniu būdu, jis gali pasikeisti miuonas i taonaibet tai įmanoma tik tada, kai jis turi masę. Mokslininkai susirūpinę dėl dešiniarankių ir kairiarankių neutrinų problemos. Nes jei negalite jos atskirti, negalite atskirti, ar tai dalelė, ar antidalelė.

Ar neutrinas gali būti savo antidalelė? Ne pagal įprastą standartinį modelį. Fermionasapskritai jie neturėtų būti jų pačių antidalelės. Fermionas yra bet kuri dalelė, kurios sukimasis yra ± XNUMX/XNUMX. Šiai kategorijai priklauso visi kvarkai ir leptonai, įskaitant neutrinus. Tačiau yra specialus fermionų tipas, kuris iki šiol egzistuoja tik teoriškai – Majorana fermion, kuris yra jos pačios antidalelė. Jei jis egzistuotų, gali nutikti kažkas ypatingo... be neutrinų dvigubas beta skilimas. Ir čia yra galimybė eksperimentuotojams, kurie ilgai ieškojo tokios spragos.

Visuose stebimuose procesuose, kuriuose dalyvauja neutrinai, šios dalelės pasižymi savybe, kurią fizikai vadina kairiarankiškumu. Dešiniarankiai neutrinai, kurie yra natūraliausias standartinio modelio tęsinys, niekur nematyti. Visos kitos MS dalelės turi dešiniarankę versiją, bet neutrinai – ne. Kodėl? Naujausia itin išsami analizė, kurią atliko tarptautinė fizikų komanda, įskaitant Lenkijos mokslų akademijos Branduolinės fizikos institutą Krokuvoje (IFJ PAN), atliko tyrimus šiuo klausimu. Mokslininkai mano, kad dešiniarankių neutrinų stebėjimo trūkumas gali įrodyti, kad jie yra Majoranos fermionai. Jei jie buvo, tada jų dešinioji versija yra labai didelė, o tai paaiškina aptikimo sunkumus.

Tačiau mes vis dar nežinome, ar neutrinai yra antidalelės. Mes nežinome, ar jie gauna savo masę dėl labai silpno Higso bozono surišimo, ar jie gauna ją per kokį nors kitą mechanizmą. Ir mes nežinome, galbūt neutrinų sektorius yra daug sudėtingesnis, nei mes manome, nes tamsoje slypi sterilūs ar sunkūs neutrinai.

Atomai ir kitos anomalijos

Elementariųjų dalelių fizikoje, be madingų neutrinų, yra ir kitų, mažiau žinomų tyrimų sričių, iš kurių gali išryškėti „naujoji fizika“. Pavyzdžiui, mokslininkai neseniai pasiūlė naujo tipo subatomines daleles, kad paaiškintų mįslę kaon irimas (5), ypatingas mezono dalelės atvejis, susidedantis iš vienas kvarkas i vienas antikvariatas. Kai kaono dalelės suyra, nedidelė jų dalis patiria pokyčius, kurie nustebino mokslininkus. Šio skilimo stilius gali rodyti naujo tipo daleles arba naują fizinę jėgą. Tai nepatenka į standartinio modelio taikymo sritį.

Yra ir daugiau eksperimentų, siekiant rasti standartinio modelio spragas. Tai apima g-2 miuono paiešką. Beveik prieš šimtą metų fizikas Paulas Diracas numatė elektrono magnetinį momentą naudodamas g – skaičių, kuris lemia dalelės sukimosi savybes. Tada matavimai parodė, kad „g“ šiek tiek skiriasi nuo 2, ir fizikai pradėjo naudoti skirtumą tarp tikrosios „g“ ir 2 reikšmės, tirdami subatominių dalelių vidinę struktūrą ir apskritai fizikos dėsnius. 1959 m. CERN Ženevoje (Šveicarija) atliko pirmąjį eksperimentą, kurio metu buvo išmatuota subatominės dalelės, vadinamos miuonu, g-2 vertė, surišta su elektronu, bet nestabili ir 207 kartus sunkesnė už elementariąją dalelę.

Brookhaven nacionalinė laboratorija Niujorke pradėjo savo eksperimentą ir 2 m. paskelbė g-2004 eksperimento rezultatus. Matavimas neatitiko standartinio modelio. Tačiau eksperimento metu nebuvo surinkta pakankamai duomenų statistinei analizei, kad būtų galima įtikinamai įrodyti, kad išmatuota vertė iš tiesų skiriasi, o ne tik statistinis svyravimas. Kiti tyrimų centrai dabar atlieka naujus eksperimentus su g-2, o rezultatus tikriausiai sužinosime netrukus.

Yra kažkas įdomesnio už tai Kaono anomalijos i miuonas. 2015 metais atliktas berilio 8Be irimo eksperimentas parodė anomaliją. Vengrijos mokslininkai naudoja savo detektorių. Tačiau, beje, jie atrado arba manė atradę, o tai rodo penktosios pagrindinės gamtos jėgos egzistavimą.

Šiuo tyrimu susidomėjo Kalifornijos universiteto fizikai. Jie pasiūlė, kad reiškinys vadinamas atomo anomalija, sukėlė visiškai nauja dalelė, turėjusi nešti penktąją gamtos jėgą. Jis vadinamas X17, nes manoma, kad jo atitinkama masė yra beveik 17 milijonų elektronų voltų. Tai yra 30 kartų didesnė už elektrono masę, bet mažesnė už protono masę. O tai, kaip X17 elgiasi su protonu, yra viena keisčiausių jo savybių – tai yra, jis visiškai nesąveikauja su protonu. Vietoj to, jis sąveikauja su neigiamai įkrautu elektronu arba neutronu, kuris visiškai neturi krūvio. Dėl to sunku pritaikyti X17 dalelę į dabartinį standartinį modelį. Bozonai yra susiję su jėgomis. Gliuonai siejami su stipria jėga, bozonai – su silpnąja jėga, o fotonai – su elektromagnetizmu. Yra net hipotetinis gravitacijos bozonas, vadinamas gravitonu. Kaip bozonas, X17 neša savo jėgą, tokią, kuri iki šiol mums liko paslaptimi ir gali būti.

Visata ir jos pageidaujama kryptis?

Šių metų balandį žurnale Science Advances paskelbtame dokumente Naujojo Pietų Velso universiteto Sidnėjuje mokslininkai pranešė, kad nauji kvazaro skleidžiamos šviesos matavimai, esantys už 13 milijardų šviesmečių, patvirtina ankstesnius tyrimus, kurie nustatė nedidelius smulkios pastovios struktūros pokyčius. visatos. Profesorius Johnas Webbas iš UNSW (6) paaiškina, kad smulkiosios struktūros konstanta "yra dydis, kurį fizikai naudoja kaip elektromagnetinės jėgos matą". elektromagnetinė jėga palaiko elektronus aplink branduolius kiekviename visatos atome. Be jo visa materija subyrėtų. Dar visai neseniai ji buvo laikoma nuolatine jėga laike ir erdvėje. Tačiau savo tyrimuose per pastaruosius du dešimtmečius profesorius Webbas pastebėjo kietos smulkios struktūros anomaliją, kurioje elektromagnetinė jėga, matuojama viena pasirinkta visatos kryptimi, visada atrodo šiek tiek kitokia.

“ – aiškina Webbas. Neatitikimai pasirodė ne Australijos komandos atliktuose matavimuose, o lyginant jų rezultatus su daugeliu kitų kitų mokslininkų atliktų kvazaro šviesos matavimų.

“ – sako profesorius Webbas. "". Jo nuomone, rezultatai rodo, kad visatoje gali būti pageidaujama kryptis. Kitaip tariant, visata tam tikra prasme turėtų dipolio struktūrą.

"" Apie ryškias anomalijas pasakoja mokslininkas.

Tai yra dar vienas dalykas: vietoj to, kas buvo manoma, kad tai buvo atsitiktinis galaktikų, kvazarų, dujų debesų ir planetų su gyvybe pasklidimas, visata staiga turi šiaurinę ir pietinę atitikmenį. Vis dėlto profesorius Webbas yra pasirengęs pripažinti, kad skirtingų etapų, naudojant skirtingas technologijas ir iš skirtingų Žemės vietų, mokslininkų matavimų rezultatai iš tiesų yra didžiulis sutapimas.

Webbas pabrėžia, kad jei visatoje yra kryptingumas ir elektromagnetizmas tam tikruose kosmoso regionuose pasirodys šiek tiek kitoks, reikės iš naujo peržiūrėti pagrindines šiuolaikinės fizikos sąvokas. “, – kalba. Modelis remiasi Einšteino gravitacijos teorija, kuri aiškiai prisiima gamtos dėsnių pastovumą. O jei ne, tai... mintis paversti visą fizikos statinį gniaužia kvapą.