Nuwe fisika skyn van baie oorde af

Enige moontlike veranderinge wat ons aan die Standaardmodel van fisika (1) of algemene relatiwiteit, ons twee beste (alhoewel onversoenbare) teorieë van die heelal, wil maak, is reeds baie beperk. Met ander woorde, jy kan nie veel verander sonder om die geheel te ondermyn nie.

Feit is dat daar ook resultate en verskynsels is wat nie verklaar kan word aan die hand van die modelle wat aan ons bekend is nie. Moet ons dus uit ons pad gaan om alles onverklaarbaar of inkonsekwent te maak ten alle koste in ooreenstemming met bestaande teorieë, of moet ons soek na nuwes? Dit is een van die fundamentele vrae van moderne fisika.

Die Standaardmodel van deeltjiefisika het al die bekende en ontdekte interaksies tussen deeltjies wat nog ooit waargeneem is, suksesvol verduidelik. Die heelal bestaan ​​uit kwarks, leptonov en meet bosone, wat drie van die vier fundamentele kragte in die natuur oordra en deeltjies hul rusmassa gee. Daar is ook algemene relatiwiteit, ons, ongelukkig nie 'n kwantumteorie van swaartekrag, wat die verhouding tussen ruimte-tyd, materie en energie in die heelal beskryf nie.

Die moeilikheid om verder te gaan as hierdie twee teorieë is dat as jy probeer om hulle te verander deur nuwe elemente, konsepte en hoeveelhede bekend te stel, jy resultate sal kry wat die metings en waarnemings wat ons reeds het, weerspreek. Dit is ook die moeite werd om te onthou dat as jy verder wil gaan as ons huidige wetenskaplike raamwerk, die bewyslas enorm is. Aan die ander kant is dit moeilik om nie soveel te verwag van iemand wat modelle wat dekades lank beproef en beproef is, ondermyn nie.

In die lig van sulke eise is dit nie verbasend dat byna niemand probeer om die bestaande paradigma in fisika heeltemal uit te daag nie. En as dit wel gebeur, word dit glad nie ernstig opgeneem nie, want dit struikel vinnig op eenvoudige tjeks. Dus, as ons potensiële gate sien, dan is dit net weerkaatsers wat aandui dat iets iewers skyn, maar dit is nie duidelik of dit enigsins die moeite werd is om soontoe te gaan nie.

Bekende fisika kan nie die heelal hanteer nie

Voorbeelde van die glans van hierdie "heeltemal nuut en anders"? Wel, byvoorbeeld, waarnemings van die terugslagtempo, wat strydig lyk met die stelling dat die Heelal slegs met deeltjies van die Standaardmodel gevul is en die algemene relatiwiteitsteorie gehoorsaam. Ons weet dat individuele bronne van swaartekrag, sterrestelsels, groepe sterrestelsels en selfs die groot kosmiese web nie genoeg is om hierdie verskynsel te verklaar nie. Ons weet dat, alhoewel die Standaardmodel bepaal dat materie en antimaterie in gelyke hoeveelhede geskep en vernietig moet word, ons in 'n heelal leef wat hoofsaaklik uit materie met 'n klein hoeveelheid antimaterie bestaan. Met ander woorde, ons sien dat "bekende fisika" nie alles kan verklaar wat ons in die heelal sien nie.

Baie eksperimente het onverwagte resultate opgelewer wat, as dit op 'n hoër vlak getoets word, revolusionêr kan wees. Selfs die sogenaamde Atoomanomalie wat die bestaan ​​van deeltjies aandui, kan 'n eksperimentele fout wees, maar dit kan ook 'n teken wees dat dit verder gaan as die Standaardmodel. Verskillende metodes om die heelal te meet gee verskillende waardes vir die tempo van sy uitbreiding - 'n probleem wat ons in detail oorweeg het in een van die onlangse uitgawes van MT.

Nie een van hierdie afwykings gee egter voldoende oortuigende resultate om as 'n onbetwisbare teken van nuwe fisika beskou te word nie. Enige of al hierdie kan bloot statistiese fluktuasies of 'n verkeerd gekalibreerde instrument wees. Baie van hulle kan na nuwe fisika wys, maar hulle kan net so maklik verklaar word deur bekende deeltjies en verskynsels in die konteks van algemene relatiwiteit en die Standaardmodel te gebruik.

Ons beplan om te eksperimenteer, met die hoop op duideliker resultate en aanbevelings. Ons kan binnekort sien of donker energie 'n konstante waarde het. Gebaseer op beplande sterrestelselstudies deur die Vera Rubin-sterrewag en data oor verafgeleë supernovas wat in die toekoms beskikbaar gestel sal word. nancy grace teleskoop, voorheen WEERSTE, moet ons uitvind of donker energie met tyd tot binne 1% ontwikkel. Indien wel, dan sal ons "standaard" kosmologiese model verander moet word. Dit is moontlik dat die ruimtelaser-interferometer-antenna (LISA) in terme van plan ook vir ons verrassings sal gee. Kortom, ons maak staat op die waarnemingsvoertuie en eksperimente wat ons beplan.

Ons werk ook steeds in die veld van deeltjiefisika, met die hoop om verskynsels buite die Model te vind, soos 'n meer akkurate meting van die magnetiese momente van die elektron en muon - as hulle nie saamstem nie, verskyn nuwe fisika. Ons werk daaraan om uit te vind hoe hulle fluktueer neutrino – ook hier skyn nuwe fisika deur. En as ons 'n akkurate elektron-positron botser bou, sirkelvormig of lineêr (2), kan ons dinge buite die Standaardmodel opspoor wat die LHC nog nie kan opspoor nie. In die wêreld van fisika is 'n groter weergawe van die LHC met 'n omtrek van tot 100 km al lank voorgestel. Dit sou hoër botsingsenergieë gee, wat, volgens baie fisici, uiteindelik nuwe verskynsels sou aandui. Dit is egter 'n uiters duur belegging, en die konstruksie van 'n reus slegs op die beginsel - "kom ons bou dit en kyk wat dit vir ons sal wys" laat baie twyfel ontstaan.

2. Lineêre leptonbotser - visualisering

Daar is twee tipes benaderings tot probleme in fisiese wetenskap. Die eerste is 'n komplekse benadering, wat bestaan ​​uit die eng ontwerp van 'n eksperiment of 'n sterrewag vir die oplossing van 'n spesifieke probleem. Die tweede benadering word die brute force-metode genoem.wat 'n universele, grensverskuiwende eksperiment of sterrewag ontwikkel om die heelal op 'n heeltemal nuwe manier as ons vorige benaderings te verken. Die eerste is beter georiënteerd in die Standaardmodel. Die tweede laat jou toe om spore van iets meer te vind, maar ongelukkig is hierdie iets nie presies gedefinieer nie. Beide metodes het dus hul nadele.

Kyk vir die sogenaamde Theory of Everything (TUT), die heilige graal van fisika, moet in die tweede kategorie geplaas word, aangesien dit meer dikwels as nie daarop neerkom om hoër en hoër energieë (3) te vind, waarby die kragte van die natuur kombineer uiteindelik in een interaksie.

3. Energieë benodig vir 'n hipotetiese eenwording van interaksies

Nisforn neutrino

Onlangs het die wetenskap meer en meer gefokus op meer interessante gebiede, soos neutrino-navorsing, waaroor ons onlangs 'n uitgebreide verslag by MT gepubliseer het. In Februarie 2020 het die Astrophysical Journal 'n publikasie gepubliseer oor die ontdekking van hoë-energie neutrino's van onbekende oorsprong in Antarktika. Benewens die bekende eksperiment, is navorsing ook op die ysige vasteland uitgevoer onder die kodenaam ANITA (), wat bestaan ​​het uit die vrystelling van 'n ballon met 'n sensor radio golwe.

Beide en ANITA is ontwerp om te soek na radiogolwe van hoë-energie neutrino's wat bots met die vaste stof waaruit ys bestaan. Avi Loeb, voorsitter van die Harvard-departement van sterrekunde, het op die Salon-webwerf verduidelik: “Die gebeure wat deur ANITA opgespoor is, lyk beslis soos 'n anomalie omdat hulle nie as neutrino's uit astrofisiese bronne verklaar kan word nie. (...) Dit kan 'n soort deeltjie wees wat swakker as 'n neutrino met gewone materie in wisselwerking tree. Ons vermoed dat sulke deeltjies as donker materie bestaan. Maar wat maak ANITA-geleenthede so energiek?”

Neutrino's is die enigste deeltjies wat bekend is dat hulle die Standaardmodel oortree het. Volgens die Standaardmodel van elementêre deeltjies moet ons drie tipes neutrino's (elektronies, muon en tau) en drie tipes antineutrino's hê, en na hul vorming moet hulle stabiel en onveranderd in hul eienskappe wees. Sedert die 60's, toe die eerste berekeninge en metings van neutrino's wat deur die Son geproduseer is verskyn het, het ons besef dat daar 'n probleem was. Ons het geweet in hoeveel elektronneutrino's gevorm is sonkrag kern. Maar toe ons gemeet het hoeveel aangekom het, het ons net 'n derde van die voorspelde getal gesien.

Of iets is fout met ons detektors, of iets is fout met ons model van die Son, of iets is fout met die neutrino's self. Reaktoreksperimente het vinnig die idee dat iets fout is met ons detektors, weerlê (4). Hulle het gewerk soos verwag en hul prestasie is baie goed aangeslaan. Die neutrino's wat ons opgespoor het, is geregistreer in verhouding tot die aantal aankomende neutrino's. Vir dekades het baie sterrekundiges aangevoer dat ons sonmodel verkeerd is.

4. Beelde van neutrino-gebeure in Cherenkov-bestraling van die Super Kamiokande-detektor

Natuurlik was daar nog 'n eksotiese moontlikheid wat, indien waar, ons begrip van die heelal sou verander van wat die Standaardmodel voorspel het. Die idee is dat die drie tipes neutrino's wat ons ken eintlik massa het, nie maer, en dat hulle kan meng (skommel) om geure te verander as hulle genoeg energie het. As die neutrino elektronies geaktiveer word, kan dit langs die pad na verander muon i taonovmaar dit is slegs moontlik wanneer dit massa het. Wetenskaplikes is bekommerd oor die probleem van regs- en linkshandige neutrino's. Want as jy dit nie kan onderskei nie, kan jy nie onderskei of dit 'n deeltjie of 'n teendeeltjie is nie.

Kan 'n neutrino sy eie teendeeltjie wees? Nie volgens die gewone Standaard Model nie. Fermionsoor die algemeen behoort hulle nie hul eie teendeeltjies te wees nie. 'n Fermioon is enige deeltjie met 'n rotasie van ± XNUMX/XNUMX. Hierdie kategorie sluit alle kwarks en leptone in, insluitend neutrino's. Daar is egter 'n spesiale tipe fermione, wat tot dusver slegs in teorie bestaan ​​- die Majorana-fermioon, wat sy eie teendeeltjie is. As dit bestaan ​​het, sou iets spesiaals dalk aan die gebeur het... neutrino vry dubbele beta-verval. En hier is 'n kans vir eksperimenteerders wat al lank na so 'n gaping soek.

In alle waargenome prosesse waarby neutrino's betrokke is, vertoon hierdie deeltjies 'n eienskap wat fisici linkshandigheid noem. Regshandige neutrino's, wat die mees natuurlike uitbreiding van die Standaardmodel is, is nêrens te sien nie. Alle ander MS-deeltjies het 'n regshandige weergawe, maar neutrino's nie. Hoekom? Die jongste, uiters omvattende ontleding deur 'n internasionale span fisici, insluitend die Instituut vir Kernfisika van die Poolse Akademie vir Wetenskappe (IFJ PAN) in Krakow, het navorsing oor hierdie kwessie gedoen. Wetenskaplikes glo dat die gebrek aan waarneming van regshandige neutrino's kan bewys dat hulle Majorana-fermione is. As hulle was, dan is hul regterkantse weergawe uiters massief, wat die moeilikheid van opsporing verduidelik.

Tog weet ons steeds nie of neutrino's self teendeeltjies is nie. Ons weet nie of hulle hul massa kry van die baie swak binding van die Higgs-boson nie, en of hulle dit deur 'n ander meganisme kry nie. En ons weet nie, miskien is die neutrinosektor baie meer kompleks as wat ons dink, met steriele of swaar neutrino's wat in die donker skuil.

Atome en ander afwykings

In elementêre deeltjiefisika is daar naas die modieuse neutrino's ander, minder bekende navorsingsgebiede waaruit "nuwe fisika" kan deurskyn. Wetenskaplikes het byvoorbeeld onlangs 'n nuwe tipe subatomiese deeltjie voorgestel om die enigmatiese te verduidelik disintegrasie as (5), 'n spesiale geval van 'n mesonpartikel wat bestaan ​​uit een kwark i een antieke handelaar. Wanneer kaon-deeltjies verval, ondergaan 'n klein fraksie daarvan veranderinge wat wetenskaplikes verras het. Die styl van hierdie verval kan dui op 'n nuwe tipe deeltjie of 'n nuwe fisiese krag aan die werk. Dit is buite die bestek van die Standaardmodel.

Daar is meer eksperimente om gapings in die Standaardmodel te vind. Dit sluit die soektog na die g-2-muon in. Byna honderd jaar gelede het fisikus Paul Dirac die magnetiese moment van 'n elektron voorspel met behulp van g, 'n getal wat die spin-eienskappe van 'n deeltjie bepaal. Toe het metings gewys dat "g" effens verskil van 2, en fisici het die verskil tussen die werklike waarde van "g" en 2 begin gebruik om die interne struktuur van subatomiese deeltjies en die wette van fisika in die algemeen te bestudeer. In 1959 het CERN in Genève, Switserland, die eerste eksperiment uitgevoer wat die g-2-waarde gemeet het van 'n subatomiese deeltjie wat 'n muon genoem word, gebind aan 'n elektron maar onstabiel en 207 keer swaarder as 'n elementêre deeltjie.

Brookhaven National Laboratory in New York het sy eie eksperiment begin en die resultate van hul g-2-eksperiment in 2004 gepubliseer. Die meting was nie wat die Standaardmodel voorspel het nie. Die eksperiment het egter nie genoeg data vir statistiese analise ingesamel om afdoende te bewys dat die gemete waarde wel anders was en nie net 'n statistiese fluktuasie nie. Ander navorsingsentrums doen nou nuwe eksperimente met g-2, en ons sal waarskynlik binnekort die resultate ken.

Daar is iets interessanter as dit Kaon afwykings i muon. In 2015 het 'n eksperiment oor die verval van berillium 8Be 'n anomalie getoon. Wetenskaplikes in Hongarye gebruik hul detektor. Terloops, hulle het egter ontdek, of gedink hulle ontdek, wat die bestaan ​​van 'n vyfde fundamentele natuurkrag voorstel.

Fisici van die Universiteit van Kalifornië het in die studie begin belangstel. Hulle het voorgestel dat die verskynsel bel atoom anomalie, is veroorsaak deur 'n heeltemal nuwe deeltjie, wat veronderstel was om die vyfde natuurkrag te dra. Dit word X17 genoem omdat die ooreenstemmende massa vermoedelik byna 17 miljoen elektronvolt is. Dit is 30 keer die massa van 'n elektron, maar minder as die massa van 'n proton. En die manier waarop X17 met 'n proton optree, is een van sy vreemdste kenmerke - dit wil sê, dit het glad nie interaksie met 'n proton nie. In plaas daarvan is dit in wisselwerking met 'n negatief gelaaide elektron of neutron, wat glad nie lading het nie. Dit maak dit moeilik om die X17-deeltjie in ons huidige Standaardmodel te pas. Bosone word met magte geassosieer. Gluone word geassosieer met die sterk krag, bosone met die swak krag en fotone met elektromagnetisme. Daar is selfs 'n hipotetiese boson vir swaartekrag wat 'n graviton genoem word. As 'n boson sal X17 'n krag van sy eie dra, soos dit wat tot nou toe vir ons 'n raaisel gebly het en kan wees.

Die heelal en sy voorkeurrigting?

In 'n referaat wat hierdie April in die joernaal Science Advances gepubliseer is, het wetenskaplikes aan die Universiteit van Nieu-Suid-Wallis in Sydney berig dat nuwe metings van lig wat deur 'n kwasar 13 biljoen ligjare ver uitgestraal word, vorige studies bevestig wat klein variasies in die fyn konstante struktuur gevind het. van die heelal. Professor John Webb van UNSW (6) verduidelik dat die fyn struktuurkonstante "'n hoeveelheid is wat fisici gebruik as 'n maatstaf van die elektromagnetiese krag." elektromagnetiese krag hou elektrone om die kerne in elke atoom in die heelal in stand. Daarsonder sou alle materie uitmekaar val. Tot onlangs was dit as 'n konstante krag in tyd en ruimte beskou. Maar in sy navorsing oor die afgelope twee dekades het professor Webb 'n anomalie opgemerk in die soliede fyn struktuur waarin die elektromagnetiese krag, gemeet in een gekose rigting in die heelal, altyd effens anders blyk te wees.

"" verduidelik Webb. Die teenstrydighede het nie in die Australiese span se metings verskyn nie, maar in die vergelyking van hul resultate met baie ander metings van kwasarlig deur ander wetenskaplikes.

"" sê professor Webb. "". Na sy mening blyk dit dat die resultate daarop dui dat daar 'n voorkeurrigting in die heelal kan wees. Met ander woorde, die Heelal sou in 'n sekere sin 'n dipoolstruktuur hê.

"" Sê die wetenskaplike oor die merkbare afwykings.

Dit is nog een ding: in plaas van wat gedink is as 'n ewekansige verspreiding van sterrestelsels, kwasars, gaswolke en planete met lewe, het die heelal skielik 'n noordelike en suidelike eweknie. Professor Webb is nietemin gereed om te erken dat die resultate van metings deur wetenskaplikes, wat op verskillende stadiums met behulp van verskillende tegnologieë en vanaf verskillende plekke op die aarde uitgevoer is, in werklikheid 'n groot toeval is.

Webb wys daarop dat as daar rigtinggewing in die heelal is, en as elektromagnetisme effens anders blyk te wees in sekere streke van die kosmos, die mees fundamentele konsepte agter baie van die moderne fisika heroorweeg sal moet word. "", praat. Die model is gebaseer op Einstein se teorie van swaartekrag, wat uitdruklik die konstantheid van die natuurwette veronderstel. En indien nie, dan ... is die gedagte om die hele gebou van fisika te verander asemrowend.