Ny fysik skinner igennem fra mange steder

Eventuelle ændringer, vi gerne vil foretage i standardmodellen for fysik (1) eller generel relativitetsteori, vores to bedste (om end uforenelige) teorier om universet, er allerede meget begrænsede. Man kan med andre ord ikke ændre meget uden at underminere helheden.

Faktum er, at der også er resultater og fænomener, som ikke kan forklares ud fra de modeller, vi kender. Så skal vi gå ud af vores måde at gøre alt uforklarligt eller inkonsekvent for enhver pris i overensstemmelse med eksisterende teorier, eller skal vi lede efter nye? Dette er et af de grundlæggende spørgsmål i moderne fysik.

Standardmodellen for partikelfysik har med succes forklaret alle de kendte og opdagede interaktioner mellem partikler, der nogensinde er blevet observeret. Universet består af kvarker, leptonov og målebosoner, som overfører tre af de fire grundlæggende kræfter i naturen og giver partikler deres hvilemasse. Der er også generel relativitetsteori, vores, desværre, ikke en kvanteteori om tyngdekraft, som beskriver forholdet mellem rum-tid, stof og energi i universet.

Vanskeligheden ved at gå ud over disse to teorier er, at hvis du forsøger at ændre dem ved at introducere nye elementer, begreber og mængder, vil du få resultater, der modsiger de målinger og observationer, vi allerede har. Det er også værd at huske på, at hvis du ønsker at gå ud over vores nuværende videnskabelige ramme, er bevisbyrden enorm. På den anden side er det svært ikke at forvente så meget af nogen, der underminerer modeller, der er afprøvet og testet i årtier.

Over for sådanne krav er det ikke overraskende, at næsten ingen forsøger fuldstændigt at udfordre det eksisterende paradigme i fysik. Og gør den det, bliver det slet ikke taget seriøst, da det hurtigt snubler over simple tjek. Så hvis vi ser potentielle huller, så er det bare reflekser, der signalerer, at noget skinner et sted, men det er ikke klart, om det overhovedet er værd at tage dertil.

Kendt fysik kan ikke håndtere universet

Eksempler på glimtet af denne "helt nye og anderledes"? Nå, for eksempel, observationer af rekylhastigheden, som virker inkonsistente med udsagnet om, at universet kun er fyldt med partikler af standardmodellen og adlyder den generelle relativitetsteori. Vi ved, at individuelle tyngdekraftskilder, galakser, galaksehobe og endda det store kosmiske net måske ikke er nok til at forklare dette fænomen. Vi ved, at selvom standardmodellen siger, at stof og antistof skal skabes og ødelægges i lige store mængder, lever vi i et univers, der hovedsageligt består af stof med en lille mængde antistof. Med andre ord ser vi, at "kendt fysik" ikke kan forklare alt, hvad vi ser i universet.

Mange eksperimenter har givet uventede resultater, der, hvis de testes på et højere niveau, kunne være revolutionerende. Selv den såkaldte Atomic Anomaly, der indikerer eksistensen af ​​partikler, kan være en eksperimentel fejl, men det kan også være et tegn på at gå ud over Standardmodellen. Forskellige metoder til at måle universet giver forskellige værdier for udvidelseshastigheden - et problem, som vi overvejede detaljeret i et af de seneste udgaver af MT.

Ingen af ​​disse anomalier giver imidlertid tilstrækkeligt overbevisende resultater til at blive betragtet som et ubestrideligt tegn på ny fysik. Enhver eller alle af disse kan simpelthen være statistiske udsving eller et forkert kalibreret instrument. Mange af dem peger måske på ny fysik, men de kan lige så nemt forklares ved hjælp af kendte partikler og fænomener i sammenhæng med generel relativitetsteori og Standardmodellen.

Vi planlægger at eksperimentere i håb om klarere resultater og anbefalinger. Vi kan snart se, om mørk energi har en konstant værdi. Baseret på planlagte galakseundersøgelser fra Vera Rubin Observatory og data om fjerne supernovaer, der skal gøres tilgængelige i fremtiden. nancy grace teleskop, tidligere WFIRST, skal vi finde ud af, om mørk energi udvikler sig med tiden til inden for 1 %. Hvis ja, så skal vores "standard" kosmologiske model ændres. Det er muligt, at rumlaserinterferometerantennen (LISA) planmæssigt også vil give os overraskelser. Kort sagt, vi regner med de observationsfartøjer og eksperimenter, som vi planlægger.

Vi arbejder også stadig inden for partikelfysik i håb om at finde fænomener uden for Modellen, såsom en mere præcis måling af elektronens og myonens magnetiske momenter – hvis de ikke stemmer overens, dukker ny fysik op. Vi arbejder på at finde ud af, hvordan de svinger neutrino - også her skinner ny fysik igennem. Og hvis vi bygger en nøjagtig elektron-positron-kollider, cirkulær eller lineær (2), kan vi detektere ting ud over standardmodellen, som LHC endnu ikke kan detektere. I fysikkens verden har man længe foreslået en større version af LHC med en omkreds på op til 100 km. Dette ville give højere kollisionsenergier, som ifølge mange fysikere endelig ville signalere nye fænomener. Dette er dog en ekstremt dyr investering, og konstruktionen af ​​en kæmpe kun efter princippet - "lad os bygge den og se, hvad den vil vise os" rejser en del tvivl.

2. Lineær leptonkollider - visualisering

Der er to typer tilgang til problemer inden for naturvidenskab. Den første er en kompleks tilgang, som består i det snævre design af et eksperiment eller et observatorium til løsning af et specifikt problem. Den anden tilgang kaldes brute force-metoden.der udvikler et universelt, grænseskummende eksperiment eller observatorium for at udforske universet på en helt ny måde end vores tidligere tilgange. Den første er bedre orienteret i standardmodellen. Den anden giver dig mulighed for at finde spor af noget mere, men desværre er dette noget ikke præcist defineret. Begge metoder har således deres ulemper.

Se efter den såkaldte Theory of Everything (TUT), fysikkens hellige gral, bør placeres i den anden kategori, da det oftest handler om at finde højere og højere energier (3), hvor kræfterne fra naturen kombineres til sidst i én interaktion.

3. Energier, der kræves til en hypotetisk forening af interaktioner

Nisforn neutrino

På det seneste er videnskaben blevet mere og mere fokuseret på mere interessante områder, såsom neutrinoforskning, som vi for nylig har offentliggjort en omfattende rapport om i MT. I februar 2020 offentliggjorde Astrophysical Journal en publikation om opdagelsen af ​​højenergineutrinoer af ukendt oprindelse i Antarktis. Ud over det velkendte eksperiment blev der også forsket på det frostklare kontinent under kodenavnet ANITA (), der bestod i udgivelsen af ​​en ballon med en sensor radiobølger.

Både og ANITA blev designet til at søge efter radiobølger fra højenergi-neutrinoer, der kolliderer med det faste stof, der udgør isen. Avi Loeb, formand for Harvard Department of Astronomy, forklarede på Salon-webstedet: "Hændelserne opdaget af ANITA virker bestemt som en anomali, fordi de ikke kan forklares som neutrinoer fra astrofysiske kilder. (...) Det kunne være en slags partikel, der interagerer svagere end en neutrino med almindeligt stof. Vi formoder, at sådanne partikler eksisterer som mørkt stof. Men hvad gør ANITA-begivenheder så energiske?”

Neutrinoer er de eneste kendte partikler, der overtræder standardmodellen. Ifølge standardmodellen for elementarpartikler skal vi have tre typer neutrinoer (elektroniske, muon og tau) og tre typer antineutrinoer, og efter deres dannelse skal de være stabile og uændrede i deres egenskaber. Siden 60'erne, hvor de første beregninger og målinger af neutrinoer produceret af Solen dukkede op, indså vi, at der var et problem. Vi vidste, hvor mange elektronneutrinoer der blev dannet i solkerne. Men da vi målte, hvor mange der ankom, så vi kun en tredjedel af det forudsagte antal.

Enten er der noget galt med vores detektorer, eller også er der noget galt med vores model af Solen, eller også er der noget galt med neutrinoerne selv. Reaktoreksperimenter modbeviste hurtigt forestillingen om, at der var noget galt med vores detektorer (4). De fungerede som forventet, og deres præstation var meget godt vurderet. De neutrinoer, vi opdagede, blev registreret i forhold til antallet af ankommende neutrinoer. I årtier har mange astronomer hævdet, at vores solmodel er forkert.

4. Billeder af neutrinohændelser i Cherenkov-stråling fra Super Kamiokande-detektoren

Selvfølgelig var der en anden eksotisk mulighed, som, hvis den er sand, ville ændre vores forståelse af universet i forhold til, hvad standardmodellen forudsagde. Tanken er, at de tre typer neutrinoer, vi kender, faktisk har masse, ikke læne, og at de kan blande (svinge) for at ændre smag, hvis de har nok energi. Hvis neutrinoen udløses elektronisk, kan den ændre sig undervejs til muon i taonovmen dette er kun muligt, når det har masse. Forskere er bekymrede over problemet med højre- og venstrehåndede neutrinoer. For hvis du ikke kan skelne det, kan du ikke skelne om det er en partikel eller en antipartikel.

Kan en neutrino være sin egen antipartikel? Ikke i henhold til den sædvanlige standardmodel. Fermionsgenerelt bør de ikke være deres egne antipartikler. En fermion er enhver partikel med en rotation på ± XNUMX/XNUMX. Denne kategori omfatter alle kvarker og leptoner, inklusive neutrinoer. Der er dog en særlig type fermioner, som indtil videre kun eksisterer i teorien - Majorana-fermionen, som er sin egen antipartikel. Hvis det eksisterede, ville der måske ske noget særligt... neutrino fri dobbelt beta-henfald. Og her er en chance for eksperimentatorer, der længe har ledt efter sådan et hul.

I alle observerede processer, der involverer neutrinoer, udviser disse partikler en egenskab, som fysikere kalder venstrehåndethed. Højrehåndede neutrinoer, som er den mest naturlige forlængelse af standardmodellen, er ingen steder at se. Alle andre MS-partikler har en højrehåndsversion, men det har neutrinoer ikke. Hvorfor? Den seneste, ekstremt omfattende analyse fra et internationalt hold af fysikere, herunder Institut for Nuklear Fysik ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow, har forsket i dette spørgsmål. Forskere mener, at manglen på observation af højrehåndede neutrinoer kan bevise, at de er Majorana-fermioner. Hvis de var, så er deres højre-sidede version ekstremt massiv, hvilket forklarer vanskeligheden ved at opdage.

Alligevel ved vi stadig ikke, om neutrinoer selv er antipartikler. Vi ved ikke, om de får deres masse fra den meget svage binding af Higgs-bosonen, eller om de får den gennem en anden mekanisme. Og vi ved det ikke, måske er neutrinosektoren meget mere kompleks, end vi tror, ​​med sterile eller tunge neutrinoer, der lurer i mørket.

Atomer og andre anomalier

Inden for elementær partikelfysik er der udover de fashionable neutrinoer andre, mindre kendte forskningsområder, hvorfra "ny fysik" kan skinne igennem. Forskere har for eksempel for nylig foreslået en ny type subatomære partikler for at forklare det gådefulde kaon forfald (5), et særligt tilfælde af en mesonpartikel bestående af en kvark i en antikvitetshandler. Når kaon-partikler henfalder, gennemgår en lille brøkdel af dem ændringer, der overraskede videnskabsmænd. Stilen på dette henfald kan indikere en ny type partikel eller en ny fysisk kraft på arbejde. Dette er uden for standardmodellens anvendelsesområde.

Der er flere eksperimenter for at finde huller i standardmodellen. Disse omfatter søgningen efter g-2-myonen. For næsten hundrede år siden forudsagde fysiker Paul Dirac det magnetiske moment for en elektron ved hjælp af g, et tal, der bestemmer en partikels spinegenskaber. Derefter viste målinger, at "g" er lidt anderledes end 2, og fysikere begyndte at bruge forskellen mellem den faktiske værdi af "g" og 2 til at studere subatomære partiklers indre struktur og fysikkens love generelt. I 1959 gennemførte CERN i Genève, Schweiz, det første eksperiment, der målte g-2-værdien af ​​en subatomær partikel kaldet en myon, bundet til en elektron, men ustabil og 207 gange tungere end en elementarpartikel.

Brookhaven National Laboratory i New York startede sit eget eksperiment og offentliggjorde resultaterne af deres g-2 eksperiment i 2004. Målingen var ikke, hvad standardmodellen forudsagde. Forsøget indsamlede dog ikke nok data til statistisk analyse til endeligt at bevise, at den målte værdi faktisk var anderledes og ikke kun en statistisk udsving. Andre forskningscentre laver nu nye forsøg med g-2, og resultaterne vil vi formentlig snart kende.

Der er noget mere spændende end dette Kaon anomalier i muon. I 2015 viste et eksperiment på henfaldet af beryllium 8Be en anomali. Forskere i Ungarn bruger deres detektor. I øvrigt opdagede de dog, eller troede de opdagede, hvilket antyder eksistensen af ​​en femte grundlæggende naturkraft.

Fysikere fra University of California blev interesseret i undersøgelsen. De foreslog, at fænomenet kaldte atom anomali, var forårsaget af en helt ny partikel, som skulle bære den femte naturkraft. Den kaldes X17, fordi dens tilsvarende masse menes at være næsten 17 millioner elektronvolt. Dette er 30 gange massen af ​​en elektron, men mindre end massen af ​​en proton. Og måden X17 opfører sig med en proton på er en af ​​dens mærkeligste egenskaber – det vil sige, at den slet ikke interagerer med en proton. I stedet interagerer den med en negativt ladet elektron eller neutron, som slet ikke har nogen ladning. Dette gør det svært at passe X17-partiklen ind i vores nuværende standardmodel. Bosoner er forbundet med styrker. Gluoner er forbundet med den stærke kraft, bosoner med den svage kraft og fotoner med elektromagnetisme. Der er endda en hypotetisk boson for tyngdekraften kaldet en graviton. Som en boson vil X17 bære sin egen kraft, som den der indtil nu har været et mysterium for os og kunne være det.

Universet og dets foretrukne retning?

I et papir offentliggjort i april i tidsskriftet Science Advances rapporterede forskere ved University of New South Wales i Sydney, at nye målinger af lys udsendt af en kvasar 13 milliarder lysår væk bekræfter tidligere undersøgelser, der fandt små variationer i den fine konstante struktur af universet. Professor John Webb fra UNSW (6) forklarer, at finstrukturkonstanten "er en størrelse, som fysikere bruger som et mål for den elektromagnetiske kraft." elektromagnetisk kraft fastholder elektroner omkring kernerne i hvert atom i universet. Uden den ville alt stof falde fra hinanden. Indtil for nylig blev det betragtet som en konstant kraft i tid og rum. Men i sin forskning gennem de sidste to årtier har professor Webb bemærket en anomali i den solide fine struktur, hvor den elektromagnetiske kraft, målt i én valgt retning i universet, altid ser ud til at være lidt anderledes.

"" forklarer Webb. Uoverensstemmelserne viste sig ikke i det australske holds målinger, men i sammenligning af deres resultater med mange andre målinger af kvasarlys fra andre forskere.

"" siger professor Webb. "". Efter hans mening synes resultaterne at tyde på, at der kan være en foretrukken retning i universet. Med andre ord ville universet i en eller anden forstand have en dipolstruktur.

"" Siger videnskabsmanden om de markante anomalier.

Dette er en ting mere: I stedet for hvad man troede var en tilfældig spredning af galakser, kvasarer, gasskyer og planeter med liv, har universet pludselig en nordlig og sydlig pendant. Professor Webb er ikke desto mindre klar til at indrømme, at resultaterne af målinger foretaget af videnskabsmænd udført på forskellige stadier ved hjælp af forskellige teknologier og fra forskellige steder på Jorden i virkeligheden er en enorm tilfældighed.

Webb påpeger, at hvis der er retningsbestemthed i universet, og hvis elektromagnetismen viser sig at være en smule anderledes i visse områder af kosmos, skal de mest fundamentale begreber bag meget af moderne fysik tages op igen. "", taler. Modellen er baseret på Einsteins teori om tyngdekraften, som eksplicit antager naturlovenes konstanthed. Og hvis ikke, så ... er ånden betagende af tanken om at vende hele fysikkens bygning på hovedet.