Uutta fysiikkaa loistaa monista paikoista

Kaikki mahdolliset muutokset, joita haluaisimme tehdä fysiikan standardimalliin (1) tai yleiseen suhteellisuusteoriaan, jotka ovat kaksi parasta (joskin yhteensopimatonta) maailmankaikkeuden teoriaamme, ovat jo hyvin rajallisia. Toisin sanoen et voi muuttaa paljon horjuttamatta kokonaisuutta.

Tosiasia on, että on myös tuloksia ja ilmiöitä, joita ei voida selittää meille tuttujen mallien perusteella. Pitäisikö meidän siis pyrkiä tekemään kaikesta selittämättömäksi tai epäjohdonmukaiseksi hinnalla millä hyvänsä sopusoinnussa olemassa olevien teorioiden kanssa vai pitäisikö meidän etsiä uusia? Tämä on yksi modernin fysiikan peruskysymyksistä.

Hiukkasfysiikan standardimalli on onnistuneesti selittänyt kaikki tunnetut ja löydetyt vuorovaikutukset hiukkasten välillä, joita on koskaan havaittu. Universumi koostuu kvarkkien, leptonov ja mittaa bosonit, jotka välittävät kolme neljästä luonnon perusvoimasta ja antavat hiukkasille niiden lepomassan. On myös yleinen suhteellisuusteoria, meidän valitettavasti ei kvanttipainoteoriamme, joka kuvaa avaruuden, ajan, aineen ja energian suhdetta universumissa.

Näiden kahden teorian pidemmälle menemisen vaikeus on se, että jos yrität muuttaa niitä ottamalla käyttöön uusia elementtejä, käsitteitä ja suureita, saat tuloksia, jotka ovat ristiriidassa jo olemassa olevien mittausten ja havaintojen kanssa. On myös syytä muistaa, että jos haluat mennä nykyisen tieteellisen kehyksemme pidemmälle, todistustaakka on valtava. Toisaalta on vaikea olla odottamatta niin paljon ihmiseltä, joka heikentää vuosikymmeniä testattuja malleja.

Tällaisten vaatimusten edessä ei ole yllättävää, että tuskin kukaan yrittää täysin haastaa olemassa olevaa fysiikan paradigmaa. Ja jos näin tapahtuu, sitä ei oteta ollenkaan vakavasti, koska se kompastuu nopeasti yksinkertaisiin tarkastuksiin. Joten jos näemme mahdollisia reikiä, niin nämä ovat vain heijastimia, jotka osoittavat, että jotain paistaa jossain, mutta ei ole selvää, kannattaako sinne mennä ollenkaan.

Tunnettu fysiikka ei kestä maailmankaikkeutta

Esimerkkejä tämän "täysin uuden ja erilaisen" hohtaasta? No, esimerkiksi havainnot rekyylinopeudesta, jotka näyttävät olevan ristiriidassa väitteen kanssa, että universumi on täytetty vain vakiomallin hiukkasilla ja noudattaa yleistä suhteellisuusteoriaa. Tiedämme, että yksittäiset painovoiman lähteet, galaksit, galaksijoukot ja edes suuri kosminen verkko eivät ehkä riitä selittämään tätä ilmiötä. Tiedämme, että vaikka standardimallin mukaan ainetta ja antiainetta tulisi luoda ja tuhota yhtä paljon, elämme universumissa, joka koostuu enimmäkseen aineesta, jossa on pieni määrä antimateriaa. Toisin sanoen näemme, että "tunnettu fysiikka" ei voi selittää kaikkea mitä näemme maailmankaikkeudessa.

Monet kokeet ovat tuottaneet odottamattomia tuloksia, jotka voivat olla vallankumouksellisia, jos niitä testataan korkeammalla tasolla. Jopa hiukkasten olemassaoloa osoittava niin kutsuttu atomianomaalia voi olla kokeellinen virhe, mutta se voi myös olla merkki standardimallin pidemmälle menemisestä. Erilaiset maailmankaikkeuden mittausmenetelmät antavat erilaisia ​​​​arvoja sen laajenemisnopeudelle - ongelmaa, jota tarkastelimme yksityiskohtaisesti yhdessä MT:n viimeaikaisista numeroista.

Mikään näistä poikkeavuuksista ei kuitenkaan anna tarpeeksi vakuuttavia tuloksia, jotta sitä voitaisiin pitää uuden fysiikan kiistattomana merkkinä. Jokin tai kaikki näistä voivat olla yksinkertaisesti tilastollisia vaihteluita tai väärin kalibroitua instrumenttia. Monet niistä saattavat viitata uuteen fysiikkaan, mutta ne voidaan yhtä helposti selittää tunnettujen hiukkasten ja ilmiöiden avulla yleisen suhteellisuusteorian ja standardimallin yhteydessä.

Suunnittelemme kokeilua, toivoen selkeämpiä tuloksia ja suosituksia. Saatamme pian nähdä, onko pimeällä energialla vakioarvoa. Perustuu Vera Rubinin observatorion suunnittelemiin galaksitutkimuksiin ja tietoihin kaukaisista supernoveista, jotka tulevat saataville tulevaisuudessa. nancy grace -teleskooppi, aiemmin WFIRST, meidän on selvitettävä, kehittyykö pimeä energia ajan kuluessa 1 %:n rajoissa. Jos näin on, meidän "standardi" kosmologinen mallimme on muutettava. On mahdollista, että myös avaruuslaser-interferometriantenni (LISA) tuottaa meille yllätyksiä. Lyhyesti sanottuna luotamme havaintoajoneuvoihin ja kokeisiin, joita suunnittelemme.

Työskentelemme edelleen myös hiukkasfysiikan alalla toivoen löytävänsä Mallin ulkopuolisia ilmiöitä, kuten elektronin ja myonin magneettisten momenttien tarkempaa mittausta - jos ne eivät ole samaa mieltä, ilmaantuu uutta fysiikkaa. Pyrimme selvittämään, kuinka ne vaihtelevat neutrino – Tässäkin näkyy uutta fysiikkaa. Ja jos rakennamme tarkan elektroni-positronin törmäimen, pyöreän tai lineaarisen (2), voimme havaita sellaisia ​​asioita kuin standardimalli, joita LHC ei vielä pysty havaitsemaan. Fysiikan maailmassa on jo pitkään ehdotettu suurempaa versiota LHC:stä, jonka ympärysmitta on jopa 100 km. Tämä antaisi suurempia törmäysenergioita, jotka monien fyysikkojen mukaan vihdoinkin osoittaisivat uusia ilmiöitä. Tämä on kuitenkin äärimmäisen kallis investointi, ja jättiläisen rakentaminen vain periaatteella - "rakennetaan ja katsotaan mitä se meille näyttää" herättää paljon epäilyksiä.

2. Lineaarinen leptoncollider - visualisointi

Fysiikan tieteen ongelmiin on olemassa kahdenlaisia ​​lähestymistapoja. Ensimmäinen on monimutkainen lähestymistapa, joka koostuu kokeen tai observatorion kapeasta suunnittelusta tietyn ongelman ratkaisemiseksi. Toista lähestymistapaa kutsutaan raakavoimamenetelmäksi.joka kehittää yleismaailmallisen, rajoja työntävän kokeen tai observatorion tutkiakseen maailmankaikkeutta täysin uudella tavalla kuin aikaisemmat lähestymistavat. Ensimmäinen on paremmin suunnattu vakiomallissa. Toisen avulla voit löytää jälkiä jostakin enemmän, mutta valitettavasti tätä jotain ei ole tarkasti määritelty. Siten molemmilla tavoilla on haittapuolensa.

Etsi niin sanottu Kaiken teoria (TUT), fysiikan pyhä malja, joka tulisi sijoittaa toiseen luokkaan, koska useimmiten kyse on korkeampien energioiden löytämisestä (3), joissa voimat luonto lopulta yhdistyy yhdeksi vuorovaikutukseksi.

3. Vuorovaikutusten hypoteettiseen yhdistämiseen tarvittavat energiat

Nisforn neutrino

Viime aikoina tiede on keskittynyt yhä enemmän kiinnostavampiin alueisiin, kuten neutrinotutkimukseen, josta julkaisimme äskettäin laajan raportin MT:ssä. Helmikuussa 2020 Astrophysical Journal julkaisi julkaisun tuntemattoman alkuperän korkean energian neutriinojen löydöstä Etelämantereelta. Tunnetun kokeen lisäksi pakkasella mantereella tehtiin myös tutkimusta koodinimellä ANITA (), joka koostui anturilla varustetun ilmapallon vapauttamisesta radioaallot.

Sekä ANITA että ANITA suunniteltiin etsimään radioaaltoja korkeaenergisista neutriinoista, jotka törmäävät jään muodostavan kiinteän aineen kanssa. Avi Loeb, Harvardin tähtitieteen laitoksen puheenjohtaja, selitti Salonin verkkosivuilla: "ANITAn havaitsemat tapahtumat vaikuttavat varmasti poikkeavilta, koska niitä ei voida selittää astrofysikaalisista lähteistä peräisin oleviksi neutriinoiksi. (...) Se voi olla jonkinlainen hiukkanen, joka vuorovaikuttaa heikommin kuin neutrino tavallisen aineen kanssa. Epäilemme, että tällaisia ​​hiukkasia on olemassa pimeänä aineena. Mutta mikä tekee ANITA-tapahtumista niin energisiä?”

Neutriinot ovat ainoita hiukkasia, joiden tiedetään rikkoneen standardimallia. Alkuainehiukkasten standardimallin mukaan meillä täytyy olla kolmen tyyppisiä neutriinoja (elektronisia, myoneja ja tau) ja kolmenlaisia ​​antineutriinoja, ja niiden on muodostumisen jälkeen oltava stabiileja ja ominaisuuksiltaan muuttumattomia. 60-luvulta lähtien, kun ensimmäiset laskelmat ja mittaukset Auringon tuottamista neutriinoista ilmestyivät, ymmärsimme, että ongelma oli olemassa. Tiesimme kuinka monessa elektronineutrinossa muodostui auringon ydin. Mutta kun mittasimme, kuinka monta saapui, näimme vain kolmanneksen ennustetusta määrästä.

Joko ilmaisimissamme on jotain vialla tai aurinkomallissamme, tai jotain on vialla itse neutriinoissa. Reaktorikokeet kumosivat nopeasti käsityksen, että ilmaisimissamme olisi jotain vialla (4). He toimivat odotetusti ja heidän suorituskykynsä arvioitiin erittäin hyvin. Havaitsemamme neutriinot rekisteröitiin suhteessa saapuvien neutriinojen määrään. Vuosikymmenten ajan monet tähtitieteilijät ovat väittäneet, että aurinkomallimme on väärä.

4. Kuvia neutrinotapahtumista Cherenkov-säteilyssä Super Kamiokande -ilmaisimesta

Tietenkin oli toinen eksoottinen mahdollisuus, joka, jos se on totta, muuttaisi käsityksemme maailmankaikkeudesta verrattuna siihen, mitä standardimalli ennusti. Ajatuksena on, että kolmella tuntemallamme neutriinotyypillä on massa, ei nojataja että ne voivat sekoittaa (vaihtelea) muuttaakseen makuja, jos niillä on tarpeeksi energiaa. Jos neutrino laukeaa elektronisesti, se voi muuttua matkan varrella muon i taonovmutta tämä on mahdollista vain, kun sillä on massaa. Tiedemiehet ovat huolissaan oikea- ja vasenkätisten neutriinojen ongelmasta. Sillä jos et pysty erottamaan sitä, et voi erottaa, onko se hiukkanen vai antihiukkanen.

Voiko neutrino olla oma antihiukkasensa? Ei tavallisen vakiomallin mukaan. Fermionsyleensä niiden ei pitäisi olla omia antihiukkasia. Fermion on mikä tahansa hiukkanen, jonka pyörimisnopeus on ± XNUMX/XNUMX. Tämä luokka sisältää kaikki kvarkit ja leptonit, mukaan lukien neutriinot. On kuitenkin olemassa erityinen fermionityyppi, joka on toistaiseksi olemassa vain teoriassa - Majorana-fermion, joka on sen oma antihiukkanen. Jos se olisi olemassa, jotain erityistä voisi tapahtua... neutrinovapaa kaksinkertainen beeta-hajoaminen. Ja tässä on mahdollisuus kokeilijoille, jotka ovat etsineet tällaista aukkoa pitkään.

Kaikissa havaituissa prosesseissa, joihin liittyy neutriinoja, näillä hiukkasilla on ominaisuus, jota fyysikot kutsuvat vasenkätisyydeksi. Oikeakätisiä neutriinoja, jotka ovat vakiomallin luonnollisin jatke, ei näy missään. Kaikilla muilla MS-hiukkasilla on oikeakätinen versio, mutta neutriinoilla ei. Miksi? Viimeisin, erittäin kattava analyysi, jonka on tehnyt kansainvälinen fyysikkoryhmä, mukaan lukien Krakovan Puolan tiedeakatemian ydinfysiikan instituutti (IFJ PAN), on tutkinut tätä asiaa. Tutkijat uskovat, että oikeakätisten neutriinojen havainnoinnin puute voi todistaa niiden olevan Majorana-fermioneja. Jos ne olisivat, niin niiden oikeanpuoleinen versio on erittäin massiivinen, mikä selittää havaitsemisen vaikeuden.

Emme kuitenkaan vieläkään tiedä, ovatko neutriinot itse antihiukkasia. Emme tiedä, saavatko he massansa Higgsin bosonin erittäin heikosta sitoutumisesta vai saavatko ne sen jonkin muun mekanismin kautta. Ja emme tiedä, ehkä neutrinosektori on paljon monimutkaisempi kuin luulemme, steriilejä tai raskaita neutriinoja piilee pimeässä.

Atomit ja muut poikkeavuudet

Alkuainehiukkasfysiikassa on muodikkaiden neutriinojen lisäksi muita, vähemmän tunnettuja tutkimusalueita, joista "uusi fysiikka" voi paistaa läpi. Tiedemiehet ovat esimerkiksi äskettäin ehdottaneet uudentyyppistä subatomista hiukkasta selittämään arvoituksellista kaon rappeutuminen (5), erikoistapaus mesonihiukkaselle, joka koostuu yksi kvarkki i yksi antiikkikauppias. Kun kaonhiukkaset hajoavat, pieni osa niistä käy läpi muutoksia, jotka yllättivät tutkijat. Tämän hajoamisen tyyli voi viitata uudentyyppiseen hiukkaseen tai uuteen fyysiseen voimaan. Tämä ei kuulu vakiomallin piiriin.

Standardimallissa on enemmän kokeita aukkojen löytämiseksi. Näitä ovat muun muassa g-2-myonin etsintä. Lähes sata vuotta sitten fyysikko Paul Dirac ennusti elektronin magneettisen momentin g:n avulla, joka määrittää hiukkasen spin-ominaisuudet. Sitten mittaukset osoittivat, että "g" on hieman erilainen kuin 2, ja fyysikot alkoivat käyttää "g":n ja 2:n todellisen arvon eroa tutkiakseen subatomisten hiukkasten sisäistä rakennetta ja fysiikan lakeja yleensä. Vuonna 1959 CERN Sveitsissä Genevessä suoritti ensimmäisen kokeen, jossa mitattiin myoniksi kutsutun subatomisen hiukkasen g-2-arvo, joka oli sitoutunut elektroniin, mutta joka oli epävakaa ja 207 kertaa raskaampi kuin alkuainehiukkanen.

Brookhaven National Laboratory New Yorkissa aloitti oman kokeensa ja julkaisi g-2-kokeilunsa tulokset vuonna 2004. Mittaus ei vastannut vakiomallin ennustetta. Kokeessa ei kuitenkaan kerätty tarpeeksi dataa tilastollista analyysiä varten, jotta voitaisiin lopullisesti osoittaa, että mitattu arvo oli todellakin erilainen eikä vain tilastollinen vaihtelu. Muut tutkimuskeskukset tekevät nyt uusia kokeita g-2:lla, ja luultavasti tiedämme tulokset pian.

On jotain kiehtovampaa kuin tämä Kaon anomaliat i muon. Vuonna 2015 beryllium 8Be:n hajoamiskoe osoitti poikkeaman. Unkarin tutkijat käyttävät ilmaisintaan. Satunnaisesti he kuitenkin löysivät tai luulivat löytäneensä, mikä viittaa viidennen luonnon perusvoiman olemassaoloon.

Kalifornian yliopiston fyysikot kiinnostuivat tutkimuksesta. He ehdottivat, että ilmiö ns atomi anomalia, johtui täysin uudesta hiukkasesta, jonka piti kuljettaa viidettä luonnonvoimaa. Sitä kutsutaan nimellä X17, koska sen vastaavan massan uskotaan olevan lähes 17 miljoonaa elektronivolttia. Tämä on 30 kertaa elektronin massa, mutta pienempi kuin protonin massa. Ja tapa, jolla X17 käyttäytyy protonin kanssa, on yksi sen oudoimmista ominaisuuksista - eli se ei ole vuorovaikutuksessa protonin kanssa ollenkaan. Sen sijaan se on vuorovaikutuksessa negatiivisesti varautuneen elektronin tai neutronin kanssa, jolla ei ole lainkaan varausta. Tämä vaikeuttaa hiukkasen X17 sovittamista nykyiseen vakiomalliimme. Bosonit liittyvät voimiin. Gluonit liittyvät vahvaan voimaan, bosonit heikkoon voimaan ja fotonit sähkömagnetismiin. Painovoimalle on olemassa jopa hypoteettinen bosoni, nimeltään graviton. Bosonina X17 kantaa oman voimansa, sellaisen, joka tähän asti on ollut meille mysteeri ja voisi olla.

Universumi ja sen suosima suunta?

Huhtikuussa Science Advances -lehdessä julkaistussa artikkelissa Sydneyn New South Walesin yliopiston tutkijat raportoivat, että uudet mittaukset 13 miljardin valovuoden päässä olevan kvasaarin lähettämästä valosta vahvistavat aiemmat tutkimukset, joissa havaittiin pieniä vaihteluita hienossa vakiorakenteessa. maailmankaikkeudesta. Professori John Webb UNSW:stä (6) selittää, että hienorakennevakio "on suure, jota fyysikot käyttävät sähkömagneettisen voiman mittana." sähkömagneettinen voima ylläpitää elektroneja ytimien ympärillä jokaisessa universumin atomissa. Ilman sitä kaikki aine hajoaisi. Viime aikoihin asti sitä pidettiin jatkuvana voimana ajassa ja tilassa. Mutta kahden viime vuosikymmenen aikana tekemässään tutkimuksessa professori Webb on havainnut poikkeaman kiinteässä hienorakenteessa, jossa sähkömagneettinen voima, mitattuna yhdessä valitussa suunnassa universumissa, näyttää aina olevan hieman erilainen.

"" selittää Webb. Epäjohdonmukaisuudet eivät ilmenneet australialaisen ryhmän mittauksissa, vaan niiden tuloksia verrattaessa moniin muihin muiden tutkijoiden kvasaarivalon mittauksiin.

"" sanoo professori Webb. "". Hänen mielestään tulokset näyttävät viittaavan siihen, että maailmankaikkeudella voi olla parempi suunta. Toisin sanoen universumilla olisi jossain mielessä dipolirakenne.

"" sanoo tiedemies merkittävistä poikkeavuuksista.

Tämä on vielä yksi asia: galaksien, kvasaarien, kaasupilvien ja elämää sisältävien planeettojen satunnaisen leviämisen sijaan universumilla on yhtäkkiä pohjoinen ja eteläinen vastine. Professori Webb on kuitenkin valmis myöntämään, että tiedemiesten eri vaiheissa eri teknologioilla ja eri paikoista maapallon suorittamien mittausten tulokset ovat itse asiassa valtava yhteensattuma.

Webb huomauttaa, että jos maailmankaikkeudessa on suuntaamista ja jos sähkömagnetismi osoittautuu hieman erilaiseksi tietyillä kosmoksen alueilla, suuren osan modernin fysiikan taustalla olevista peruskäsitteistä on tarkasteltava uudelleen. "", puhuu. Malli perustuu Einsteinin painovoimateoriaan, joka eksplisiittisesti olettaa luonnonlakien pysyvyyden. Ja jos ei, niin ... ajatus koko fysiikan rakennuksen muuttamisesta on henkeäsalpaava.