Ny fysikk skinner gjennom fra mange steder

Eventuelle endringer vi ønsker å gjøre i standardmodellen for fysikk (1) eller generell relativitet, våre to beste (men inkompatible) teorier om universet, er allerede svært begrenset. Du kan med andre ord ikke endre mye uten å undergrave helheten.

Faktum er at det også finnes resultater og fenomener som ikke kan forklares ut fra de modellene vi kjenner til. Så bør vi gå ut av vår måte å gjøre alt uforklarlig eller inkonsekvent for enhver pris i samsvar med eksisterende teorier, eller bør vi se etter nye? Dette er et av de grunnleggende spørsmålene i moderne fysikk.

Standardmodellen for partikkelfysikk har vellykket forklart alle kjente og oppdagede interaksjoner mellom partikler som noen gang har blitt observert. Universet består av kvarker, leptonuv og målebosoner, som overfører tre av de fire grunnleggende kreftene i naturen og gir partikler deres hvilemasse. Det er også generell relativitetsteori, vår, dessverre, ikke en kvanteteori om gravitasjon, som beskriver forholdet mellom rom-tid, materie og energi i universet.

Vanskeligheten med å gå utover disse to teoriene er at hvis du prøver å endre dem ved å introdusere nye elementer, begreper og mengder, vil du få resultater som motsier de målingene og observasjonene vi allerede har. Det er også verdt å huske at hvis du ønsker å gå utover vårt nåværende vitenskapelige rammeverk, er bevisbyrden enorm. På den annen side er det vanskelig å ikke forvente så mye av noen som undergraver modeller som er prøvd og testet i flere tiår.

I møte med slike krav er det ikke overraskende at knapt noen prøver å fullstendig utfordre det eksisterende paradigmet i fysikk. Og hvis det gjør det, blir det slett ikke tatt seriøst, da det fort snubler over enkle kontroller. Så hvis vi ser potensielle hull, så er dette bare reflekser som signaliserer at noe skinner et sted, men det er ikke klart om det er verdt å gå dit i det hele tatt.

Kjent fysikk kan ikke håndtere universet

Eksempler på skimmeret til denne "helt nye og annerledes"? Vel, for eksempel observasjoner av rekylhastigheten, som virker inkonsistente med utsagnet om at universet bare er fylt med partikler av standardmodellen og adlyder den generelle relativitetsteorien. Vi vet at individuelle tyngdekraftskilder, galakser, galaksehoper og til og med det store kosmiske nettet ikke er nok til å forklare dette fenomenet, kanskje. Vi vet at selv om standardmodellen sier at materie og antimaterie skal skapes og ødelegges i like mengder, lever vi i et univers som hovedsakelig består av materie med en liten mengde antimaterie. Med andre ord ser vi at «kjent fysikk» ikke kan forklare alt vi ser i universet.

Mange eksperimenter har gitt uventede resultater som, hvis de testes på et høyere nivå, kan være revolusjonerende. Selv den såkalte Atomic Anomaly som indikerer eksistensen av partikler kan være en eksperimentell feil, men det kan også være et tegn på å gå utover standardmodellen. Ulike metoder for å måle universet gir forskjellige verdier for utvidelseshastigheten - et problem som vi vurderte i detalj i en av de siste utgavene av MT.

Ingen av disse anomaliene gir imidlertid tilstrekkelig overbevisende resultater til å bli betraktet som et udiskutabelt tegn på ny fysikk. Noen eller alle av disse kan ganske enkelt være statistiske svingninger eller et feilkalibrert instrument. Mange av dem kan peke på ny fysikk, men de kan like gjerne forklares ved hjelp av kjente partikler og fenomener i sammenheng med generell relativitetsteori og Standardmodellen.

Vi planlegger å eksperimentere, i håp om klarere resultater og anbefalinger. Vi kan snart se om mørk energi har en konstant verdi. Basert på planlagte galaksestudier av Vera Rubin Observatory og data om fjerne supernovaer som skal gjøres tilgjengelig i fremtiden. nancy grace teleskop, tidligere WFIRST, må vi finne ut om mørk energi utvikler seg med tiden til innenfor 1 %. I så fall vil vår "standard" kosmologiske modell måtte endres. Det er mulig at romlaserinterferometerantennen (LISA) planmessig også vil gi oss overraskelser. Kort sagt, vi regner med observasjonskjøretøyene og eksperimentene som vi planlegger.

Vi jobber også fortsatt innen partikkelfysikk, i håp om å finne fenomener utenfor Modellen, for eksempel en mer nøyaktig måling av de magnetiske momentene til elektronet og myonet – hvis de ikke stemmer overens, dukker ny fysikk opp. Vi jobber med å finne ut hvordan de svinger nøytrino – også her skinner ny fysikk igjennom. Og hvis vi bygger en nøyaktig elektron-positron kolliderer, sirkulær eller lineær (2), kan vi oppdage ting utenfor standardmodellen som LHC ennå ikke kan oppdage. I fysikkens verden har det lenge vært foreslått en større versjon av LHC med en omkrets på opptil 100 km. Dette ville gi høyere kollisjonsenergier, som ifølge mange fysikere til slutt ville signalisere nye fenomener. Dette er imidlertid en ekstremt kostbar investering, og konstruksjonen av en gigant kun etter prinsippet - "la oss bygge den og se hva den vil vise oss" reiser mye tvil.

2. Lineær leptonkollider - visualisering

Det er to typer tilnærminger til problemer i naturvitenskap. Den første er en kompleks tilnærming, som består i den smale utformingen av et eksperiment eller et observatorium for å løse et spesifikt problem. Den andre tilnærmingen kalles brute force-metoden.som utvikler et universelt, grenseskyvende eksperiment eller observatorium for å utforske universet på en helt ny måte enn våre tidligere tilnærminger. Den første er bedre orientert i standardmodellen. Den andre lar deg finne spor av noe mer, men dessverre er dette noe ikke nøyaktig definert. Dermed har begge metodene sine ulemper.

Se etter den såkalte Theory of Everything (TUT), fysikkens hellige gral, bør plasseres i den andre kategorien, siden det oftere enn ikke handler om å finne høyere og høyere energier (3), hvor kreftene til naturen kombineres til slutt til ett samspill.

3. Energier som kreves for en hypotetisk forening av interaksjoner

nøytrino Nisforn

I det siste har vitenskapen blitt mer og mer fokusert på mer interessante områder, som nøytrinoforskning, som vi nylig publiserte en omfattende rapport om i MT. I februar 2020 publiserte Astrophysical Journal en publikasjon om oppdagelsen av høyenerginøytrinoer av ukjent opprinnelse i Antarktis. I tillegg til det velkjente eksperimentet, ble det også utført forskning på det frostklare kontinentet under kodenavnet ANITA (), bestående av slipp av en ballong med en sensor radiobølger.

Både og ANITA ble designet for å søke etter radiobølger fra høyenerginøytrinoer som kolliderer med det faste stoffet som utgjør isen. Avi Loeb, styreleder for Harvard Department of Astronomy, forklarte på Salon-nettstedet: «Hendelsene oppdaget av ANITA virker absolutt som en anomali fordi de ikke kan forklares som nøytrinoer fra astrofysiske kilder. (...) Det kan være en slags partikkel som samhandler svakere enn en nøytrino med vanlig materie. Vi mistenker at slike partikler eksisterer som mørk materie. Men hva gjør ANITA-arrangementer så energiske?»

Nøytrinoer er de eneste partiklene som er kjent for å ha krenket standardmodellen. I følge Standardmodellen for elementærpartikler må vi ha tre typer nøytrinoer (elektroniske, muon og tau) og tre typer antinøytrinoer, og etter dannelsen må de være stabile og uendret i egenskapene. Siden 60-tallet, da de første beregningene og målingene av nøytrinoer produsert av solen dukket opp, innså vi at det var et problem. Vi visste hvor mange elektronnøytrinoer som ble dannet i solar kjerne. Men da vi målte hvor mange som ankom, så vi bare en tredjedel av det spådde antallet.

Enten er det noe galt med detektorene våre, eller noe er galt med solmodellen vår, eller noe er galt med selve nøytrinoene. Reaktoreksperimenter motbeviste raskt forestillingen om at noe var galt med våre detektorer (4). De fungerte som forventet, og ytelsen deres var svært godt vurdert. Nøytrinoene vi oppdaget ble registrert i forhold til antall ankommende nøytrinoer. I flere tiår har mange astronomer hevdet at vår solmodell er feil.

4. Bilder av nøytrinohendelser i Cherenkov-stråling fra Super Kamiokande-detektoren

Selvfølgelig var det en annen eksotisk mulighet som, hvis sant, ville endre vår forståelse av universet fra det Standardmodellen forutså. Tanken er at de tre typene nøytrinoer vi kjenner faktisk har masse, ikke Lene seg, og at de kan blande (fluktuere) for å endre smaker hvis de har nok energi. Hvis nøytrinoen utløses elektronisk, kan den endre seg underveis til muon i taonovmen dette er bare mulig når det har masse. Forskere er bekymret for problemet med høyre- og venstrehendte nøytrinoer. For hvis du ikke kan skille det, kan du ikke skille om det er en partikkel eller en antipartikkel.

Kan en nøytrino være sin egen antipartikkel? Ikke i henhold til den vanlige standardmodellen. Fermionergenerelt bør de ikke være deres egne antipartikler. En fermion er enhver partikkel med en rotasjon på ± XNUMX/XNUMX. Denne kategorien inkluderer alle kvarker og leptoner, inkludert nøytrinoer. Det er imidlertid en spesiell type fermioner, som foreløpig kun eksisterer i teorien - Majorana-fermionen, som er sin egen antipartikkel. Hvis det fantes, kan det hende noe spesielt har skjedd... nøytrinofri dobbel beta-forfall. Og her er en sjanse for eksperimenter som lenge har lett etter et slikt gap.

I alle observerte prosesser som involverer nøytrinoer, viser disse partiklene en egenskap som fysikere kaller venstrehendthet. Høyrehendte nøytrinoer, som er den mest naturlige forlengelsen av standardmodellen, er ingen steder å se. Alle andre MS-partikler har en høyrehendt versjon, men det har ikke nøytrinoer. Hvorfor? Den siste, ekstremt omfattende analysen av et internasjonalt team av fysikere, inkludert Institutt for kjernefysikk ved det polske vitenskapsakademiet (IFJ PAN) i Krakow, har forsket på dette problemet. Forskere mener at mangelen på observasjon av høyrehendte nøytrinoer kan bevise at de er Majorana-fermioner. Hvis de var det, så er deres høyresidige versjon ekstremt massiv, noe som forklarer vanskeligheten med å oppdage.

Likevel vet vi fortsatt ikke om nøytrinoer er antipartikler i seg selv. Vi vet ikke om de får massen sin fra den svært svake bindingen til Higgs-bosonet, eller om de får den gjennom en annen mekanisme. Og vi vet ikke, kanskje nøytrinosektoren er mye mer kompleks enn vi tror, ​​med sterile eller tunge nøytrinoer som lurer i mørket.

Atomer og andre anomalier

I elementær partikkelfysikk, foruten de fasjonable nøytrinoene, er det andre, mindre kjente forskningsområder som «ny fysikk» kan skinne igjennom. Forskere, for eksempel, har nylig foreslått en ny type subatomære partikler for å forklare det gåtefulle desintegrasjon som (5), et spesielt tilfelle av en mesonpartikkel som består av en kvark i en antikvitetshandler. Når kaon-partikler forfaller, gjennomgår en liten brøkdel av dem endringer som overrasket forskerne. Stilen til dette forfallet kan indikere en ny type partikkel eller en ny fysisk kraft på jobb. Dette er utenfor rammen av standardmodellen.

Det er flere eksperimenter for å finne hull i standardmodellen. Disse inkluderer søket etter g-2-myonen. For nesten hundre år siden spådde fysiker Paul Dirac det magnetiske momentet til et elektron ved å bruke g, et tall som bestemmer spinnegenskapene til en partikkel. Så viste målinger at "g" er litt forskjellig fra 2, og fysikere begynte å bruke forskjellen mellom den faktiske verdien av "g" og 2 for å studere den indre strukturen til subatomære partikler og fysikkens lover generelt. I 1959 gjennomførte CERN i Genève, Sveits, det første eksperimentet som målte g-2-verdien til en subatomær partikkel kalt en myon, bundet til et elektron, men ustabil og 207 ganger tyngre enn en elementær partikkel.

Brookhaven National Laboratory i New York startet sitt eget eksperiment og publiserte resultatene av deres g-2-eksperiment i 2004. Målingen var ikke det standardmodellen forutså. Eksperimentet samlet imidlertid ikke nok data til statistisk analyse til å bevise at den målte verdien faktisk var annerledes og ikke bare en statistisk fluktuasjon. Andre forskningssentre gjennomfører nå nye eksperimenter med g-2, og vi får trolig vite resultatene snart.

Det er noe mer spennende enn dette Kaon anomalier i muon. I 2015 viste et eksperiment på forfallet av beryllium 8Be en anomali. Forskere i Ungarn bruker detektoren deres. Men forresten oppdaget eller trodde de at de oppdaget, noe som antyder eksistensen av en femte grunnleggende naturkraft.

Fysikere fra University of California ble interessert i studien. De foreslo at fenomenet ringte atom anomali, ble forårsaket av en helt ny partikkel, som skulle bære den femte naturkraften. Den kalles X17 fordi dens tilsvarende masse antas å være nesten 17 millioner elektronvolt. Dette er 30 ganger massen til et elektron, men mindre enn massen til et proton. Og måten X17 oppfører seg med et proton på er en av dens merkeligste egenskaper – det vil si at den ikke samhandler med et proton i det hele tatt. I stedet samhandler den med et negativt ladet elektron eller nøytron, som ikke har noen ladning i det hele tatt. Dette gjør det vanskelig å passe X17-partikkelen inn i vår nåværende standardmodell. Bosoner er assosiert med styrker. Gluoner er assosiert med den sterke kraften, bosoner med den svake kraften og fotoner med elektromagnetisme. Det er til og med en hypotetisk boson for gravitasjon kalt graviton. Som en boson vil X17 bære en egen kraft, slik som den som til nå har forblitt et mysterium for oss og kan være.

Universet og dets foretrukne retning?

I en artikkel publisert i april i tidsskriftet Science Advances rapporterte forskere ved University of New South Wales i Sydney at nye målinger av lys som sendes ut av en kvasar 13 milliarder lysår unna bekrefter tidligere studier som fant små variasjoner i den fine konstante strukturen av universet. Professor John Webb fra UNSW (6) forklarer at finstrukturkonstanten «er en størrelse som fysikere bruker som et mål på den elektromagnetiske kraften». elektromagnetisk kraft opprettholder elektroner rundt kjernene i hvert atom i universet. Uten den ville all materie falle fra hverandre. Inntil nylig ble det ansett som en konstant kraft i tid og rom. Men i sin forskning de siste to tiårene har professor Webb lagt merke til en anomali i den solide fine strukturen der den elektromagnetiske kraften, målt i én valgt retning i universet, alltid ser ut til å være litt annerledes.

"" forklarer Webb. Inkonsekvensene dukket ikke opp i det australske teamets målinger, men i å sammenligne resultatene deres med mange andre målinger av kvasarlys fra andre forskere.

"" sier professor Webb. "". Etter hans mening synes resultatene å tyde på at det kan være en foretrukket retning i universet. Med andre ord ville universet på en eller annen måte ha en dipolstruktur.

"" Sier forskeren om de markante anomaliene.

Dette er en ting til: i stedet for det som ble antatt å være en tilfeldig spredning av galakser, kvasarer, gassskyer og planeter med liv, har universet plutselig en nordlig og sørlig motpart. Professor Webb er likevel klar til å innrømme at resultatene av målinger utført av forskere utført på forskjellige stadier ved bruk av forskjellige teknologier og fra forskjellige steder på jorden faktisk er en enorm tilfeldighet.

Webb påpeker at hvis det er retningsbestemthet i universet, og hvis elektromagnetisme viser seg å være litt annerledes i visse områder av kosmos, må de mest grunnleggende konseptene bak mye av moderne fysikk ses på nytt. "", snakker. Modellen er basert på Einsteins gravitasjonsteori, som eksplisitt forutsetter at naturlovene er konstante. Og hvis ikke, så ... tanken på å snu hele fysikkens byggverk er fantastisk.