Nova fizika blista sa mnogih mjesta

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

Činjenica je da postoje i rezultati i fenomeni koji se ne mogu objasniti na osnovu nama poznatih modela. Dakle, treba li se potruditi da sve učinimo neobjašnjivim ili nedosljednim po svaku cijenu u skladu s postojećim teorijama ili trebamo tražiti nove? Ovo je jedno od osnovnih pitanja moderne fizike.

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

Poteškoća u prevazilaženju ove dvije teorije je da ako pokušate da ih promijenite uvođenjem novih elemenata, koncepata i veličina, dobit ćete rezultate koji su u suprotnosti s mjerenjima i zapažanjima koja već imamo. Također je vrijedno zapamtiti da ako želite ići izvan našeg trenutnog naučnog okvira, teret dokazivanja je ogroman. S druge strane, teško je ne očekivati ​​toliko od nekoga ko potkopava modele isprobane decenijama.

Suočeni s takvim zahtjevima, nije iznenađujuće da retko ko pokušava u potpunosti osporiti postojeću paradigmu u fizici. A ako i jeste, uopšte se ne shvata ozbiljno, jer brzo naiđe na jednostavne provere. Dakle, ako vidimo potencijalne rupe, onda su to samo reflektori, koji signaliziraju da negdje nešto sija, ali nije jasno da li se tu uopće isplati ići.

Poznata fizika ne može da se nosi sa svemirom

Primjeri svjetlucanja ovog “potpuno novog i drugačijeg”? Pa, na primjer, zapažanja o stopi trzanja, koja izgledaju neusklađeno s tvrdnjom da je Univerzum ispunjen samo česticama Standardnog modela i da se povinuje opštoj teoriji relativnosti. Znamo da pojedinačni izvori gravitacije, galaksije, jata galaksija, pa čak i velika kosmička mreža, možda nisu dovoljni da objasne ovaj fenomen. Znamo da, iako Standardni model kaže da materiju i antimateriju treba stvoriti i uništiti u jednakim količinama, živimo u svemiru koji se sastoji uglavnom od materije sa malom količinom antimaterije. Drugim riječima, vidimo da "poznata fizika" ne može objasniti sve što vidimo u svemiru.

Mnogi eksperimenti su dali neočekivane rezultate koji bi, ako se testiraju na višem nivou, mogli biti revolucionarni. Čak i takozvana atomska anomalija koja ukazuje na postojanje čestica može biti eksperimentalna greška, ali može biti i 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, nijedna 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 opšte teorije relativnosti i Standardnog modela.

Planiramo eksperimentirati, nadajući se jasnijim rezultatima i preporukama. Uskoro ćemo vidjeti da li tamna energija ima konstantnu vrijednost. Na osnovu planiranih studija galaksija od strane Opservatorije Vera Rubin i podataka o udaljenim supernovama koji će biti dostupni u budućnosti. Nancy Grace teleskop, prethodno PRVI, moramo saznati da li tamna energija evoluira s vremenom do unutar 1%. Ako je tako, onda će se naš "standardni" kosmološki model morati promijeniti. Moguće je da će nas svemirska laserska interferometarska antena (LISA) u planu takođe iznenaditi. Ukratko, računamo na posmatračka vozila i eksperimente koje planiramo.

Još uvijek radimo na polju fizike čestica, nadajući se da ćemo pronaći fenomene izvan Modela, kao što je preciznije mjerenje magnetnih momenata elektrona i miona - ako se ne slažu, pojavljuje se nova fizika. Radimo na tome da otkrijemo kako oni fluktuiraju neutrino – i tu se pojavljuje nova fizika. A ako napravimo precizan elektron-pozitronski sudarač, 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 veću energiju sudara, što bi, prema mnogim fizičarima, konačno signaliziralo nove pojave. Međutim, radi se o izuzetno skupoj investiciji, a izgradnja giganta samo po principu - "hajde da ga izgradimo pa da vidimo šta će nam pokazati" izaziva dosta nedoumica.

2. Linearni leptonski sudarač - vizualizacija

Postoje dvije vrste pristupa problemima u fizici. Prvi je kompleksan pristup, koji se sastoji u uskom dizajnu eksperimenta ili opservatorije za rješavanje određenog problema. Drugi pristup se naziva metodom grube sile.koji razvija univerzalni eksperiment ili opservatoriju za pomicanje granica kako bi istražio svemir na potpuno nov način od naših prethodnih pristupa. Prvi je bolje orijentisan u Standardnom modelu. Drugi vam omogućava da pronađete tragove nečeg više, ali, nažalost, to nešto nije tačno definisano. Dakle, obje metode imaju svoje nedostatke.

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

3. Energije potrebne za hipotetičko ujedinjenje interakcija

Nisforn neutrino

U posljednje vrijeme nauka se sve više fokusira na zanimljivija područja, poput istraživanja neutrina, o čemu smo nedavno objavili opširan izvještaj u MT-u. U februaru 2020., Astrophysical Journal je objavio publikaciju o otkriću visokoenergetskih neutrina nepoznatog porijekla na Antarktiku. Osim dobro poznatog eksperimenta, na ledenom kontinentu je provedeno i istraživanje pod kodnim imenom ANITA (), koje se sastoji u puštanju balona sa senzorom radio talasi.

Oba i ANITA su dizajnirani da traže radio talase od neutrina visoke energije koji se sudaraju sa čvrstom materijom koja čini led. Avi Loeb, predsjedavajući Odsjeka za astronomiju Harvarda, objasnio je na web stranici Salona: „Događaji koje je ANITA otkrila svakako izgledaju kao anomalija jer se ne mogu objasniti kao neutrini iz astrofizičkih izvora. (...) To bi mogla biti neka vrsta čestice koja slabije komunicira od neutrina sa običnom materijom. Sumnjamo da takve čestice postoje kao tamna materija. Ali šta čini ANITA događaje tako energičnim?”

Neutrini su jedine poznate čestice koje krše Standardni model. Prema Standardnom modelu elementarnih čestica, moramo imati tri tipa neutrina (elektronski, mionski i tau) i tri vrste antineutrina, koji nakon formiranja moraju biti stabilni i nepromijenjeni u svojim svojstvima. Od 60-ih, kada su se pojavili prvi proračuni i mjerenja neutrina koje proizvodi Sunce, shvatili smo da postoji problem. Znali smo u koliko je elektronskih neutrina nastalo solarno jezgro. Ali kada smo izmjerili koliko ih je stiglo, vidjeli smo samo trećinu predviđenog broja.

Ili nešto nije u redu sa našim detektorima, ili nešto nije u redu sa 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 učinak je vrlo dobro ocijenjen. Neutrina koje smo otkrili registrovani su proporcionalno broju pristiglih neutrina. Decenijama su mnogi astronomi tvrdili da je naš solarni model pogrešan.

4. Slike neutrina u Čerenkovljevom zračenju sa Super Kamiokande detektora

Naravno, postojala je još jedna egzotična mogućnost koja bi, ako je bila istinita, promijenila naše razumijevanje univerzuma u odnosu na ono što je predviđao Standardni model. Ideja je da tri tipa neutrina koje poznajemo zapravo imaju masu, a ne mršav, i 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. Naučnici su zabrinuti zbog problema desnog i lijevog neutrina. Jer ako ga ne možete razlikovati, ne možete razlikovati da li je čestica ili antičestica.

Može li neutrino biti sopstvena antičestica? Ne prema uobičajenom Standardnom modelu. Fermionigeneralno ne bi trebalo da budu sopstvene 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 za sada postoji samo u teoriji - Majorana fermion, koji je vlastita antičestica. Da postoji, moglo bi se dogoditi nešto posebno... bez neutrina dvostruki beta raspad. I evo prilike za eksperimentatore koji dugo traže takav jaz.

U svim posmatranim procesima koji uključuju neutrine, ove čestice pokazuju osobinu koju fizičari nazivaju ljevorukošću. Desnoruki neutrini, koji su najprirodnije proširenje Standardnog modela, nigdje se ne vide. Sve ostale MS čestice imaju desnu verziju, ali neutrini nemaju. Zašto? Najnovija, izuzetno opsežna analiza međunarodnog tima fizičara, uključujući Institut za nuklearnu fiziku Poljske akademije nauka (IFJ PAN) u Krakovu, uradila je istraživanje o ovom pitanju. Naučnici vjeruju da bi nedostatak opažanja desnih neutrina mogao dokazati da su oni Majorani fermioni. Ako jesu, onda je njihova desna verzija izuzetno masivna, što objašnjava poteškoću u otkrivanju.

Ipak, još uvijek ne znamo da li su neutrini sami po sebi antičestice. Ne znamo da li svoju masu dobijaju iz veoma slabog vezivanja Higsovog bozona, ili je dobijaju preko nekog drugog mehanizma. I ne znamo, možda je sektor neutrina mnogo 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. Naučnici su, na primjer, nedavno predložili novu vrstu subatomske čestice da objasne zagonetnu dezintegracija kao (5), poseban slučaj mezonske čestice koja se sastoji od jedan kvark i jedan trgovac antikvitetima. Kada se čestice kaona raspadnu, mali dio njih prolazi kroz promjene koje su iznenadile naučnike. Stil ovog raspada može ukazivati ​​na novu vrstu čestice ili novu fizičku silu na djelu. Ovo je izvan opsega Standardnog modela.

Postoji još eksperimenata za pronalaženje praznina u standardnom modelu. To uključuje potragu za g-2 mionom. Prije skoro sto godina, fizičar Paul Dirac je predvidio magnetni moment elektrona koristeći g, broj koji određuje spin svojstva 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 unutrašnje strukture subatomskih čestica i zakona fizike općenito. 1959. godine, CERN u Ženevi, u Švicarskoj, izveo je prvi eksperiment koji je izmjerio vrijednost g-2 subatomske čestice zvane 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 eksperimenta g-2 2004. godine. Mjerenje nije bilo ono što je predviđao Standardni model. Međutim, eksperiment nije prikupio dovoljno podataka za statističku analizu kako bi se uvjerljivo dokazalo da je izmjerena vrijednost zaista drugačija, a ne samo statistička fluktuacija. Drugi istraživački centri sada sprovode nove eksperimente sa g-2, a rezultati ćemo verovatno znati uskoro.

Ima nešto intrigantnije od ovoga Kaon anomalije i mion. 2015. godine eksperiment raspadanja berilija 8Be pokazao je anomaliju. Naučnici u Mađarskoj koriste svoj detektor. Međutim, uzgred, otkrili su ili mislili da su otkrili, što sugerira postojanje pete fundamentalne sile prirode.

Za studiju su se zainteresovali fizičari sa Univerziteta 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 skoro 17 miliona elektron-volti. Ovo je 30 puta više od mase elektrona, ali manje od mase protona. A način na koji se X17 ponaša s protonom je jedna od njegovih najčudnijih karakteristika - to jest, on uopće ne stupa u interakciju s protonom. Umjesto toga, on stupa u interakciju s negativno nabijenim elektronom ili neutronom, koji uopće nema naboj. Ovo otežava uklapanje čestice X17 u naš trenutni standardni model. Bosoni su povezani sa silama. Gluoni su povezani sa jakom silom, bozoni sa slabom silom, a fotoni sa elektromagnetizmom. Postoji čak i hipotetički bozon za gravitaciju koji se zove graviton. Kao bozon, X17 će nositi sopstvenu silu, kao što je ona koja je do sada za nas ostala misterija i mogla bi biti.

Univerzum i njegov preferirani smjer?

U radu objavljenom ovog aprila u časopisu Science Advances, naučnici sa Univerziteta Novog Južnog Velsa u Sidneju izvijestili su da nova mjerenja svjetlosti koju emituje kvazar udaljen 13 milijardi svjetlosnih godina potvrđuju prethodne studije koje su otkrile male varijacije u finoj konstantnoj strukturi. univerzuma. Profesor John Webb sa UNSW (6) objašnjava da je konstanta fine strukture "veličina koju fizičari koriste kao meru elektromagnetne sile." elektromagnetna sila održava elektrone oko jezgara u svakom atomu u svemiru. Bez toga bi se sva materija raspala. Do nedavno se smatralo stalnom silom u vremenu i prostoru. Ali u svom istraživanju u protekle dvije decenije, profesor Webb je primijetio anomaliju u čvrstoj finoj strukturi u kojoj se čini da je elektromagnetna sila, mjerena u jednom odabranom smjeru u svemiru, uvijek malo drugačija.

"" objašnjava Webb. Nedosljednosti se nisu pojavile u mjerenjima australskog tima, već u poređenju njihovih rezultata sa mnogim drugim mjerenjima svjetlosti kvazara od strane drugih naučnika.

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

"" Kaže naučnik 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 Veb je ipak spreman da prizna da su rezultati merenja naučnika sprovedenih u različitim fazama koristeći različite tehnologije i sa različitih mesta na Zemlji zapravo ogromna koincidencija.

Web ističe da ako postoji usmjerenost u svemiru i ako se ispostavi da je elektromagnetizam malo drugačiji u određenim dijelovima kosmosa, najfundamentalniji koncepti koji stoje iza većine moderne fizike će morati biti revidirani. "", govori. Model je zasnovan na Ajnštajnovoj teoriji gravitacije, koja eksplicitno pretpostavlja postojanost zakona prirode. A ako ne, onda ... pomisao da se preokrene čitava građevina fizike oduzima dah.