Jauna fizika spīd no daudzām vietām

Visas iespējamās izmaiņas, ko mēs vēlētos veikt fizikas standarta modelī (1) vai vispārējā relativitātes teorijā, mūsu divās labākajās (lai gan nesavienojamās) Visuma teorijās, jau ir ļoti ierobežotas. Citiem vārdiem sakot, jūs nevarat daudz ko mainīt, nesagraujot kopumu.

Fakts ir tāds, ka ir arī rezultāti un parādības, kuras nevar izskaidrot, pamatojoties uz mums zināmajiem modeļiem. Tātad, vai mums vajadzētu darīt visu iespējamo, lai par katru cenu padarītu visu neizskaidrojamu vai nekonsekventu, lai tas atbilstu esošajām teorijām, vai arī mums vajadzētu meklēt jaunas? Šis ir viens no mūsdienu fizikas pamatjautājumiem.

Daļiņu fizikas standarta modelis ir veiksmīgi izskaidrojis visas zināmās un atklātās mijiedarbības starp daļiņām, kas jebkad ir novērotas. Visums sastāv no kvarki, leptonovs un mērbozoni, kas pārraida trīs no četriem dabas pamatspēkiem un piešķir daļiņām to miera masu. Ir arī vispārējā relativitāte, mūsu, diemžēl, nevis kvantu gravitācijas teorija, kas apraksta attiecības starp telpu-laiku, matēriju un enerģiju Visumā.

Grūtības, kas pārsniedz šīs divas teorijas, ir tādas, ka, mēģinot tās mainīt, ieviešot jaunus elementus, jēdzienus un daudzumus, jūs iegūsit rezultātus, kas ir pretrunā ar mērījumiem un novērojumiem, kas mums jau ir. Ir arī vērts atcerēties, ka, ja vēlaties pārsniegt mūsu pašreizējo zinātnisko ietvaru, pierādīšanas pienākums ir milzīgs. No otras puses, ir grūti negaidīt tik daudz no kāda, kurš grauj gadu desmitiem pārbaudītus modeļus.

Saskaroties ar šādām prasībām, nav pārsteidzoši, ka diez vai kāds mēģina pilnībā apstrīdēt pastāvošo fizikas paradigmu. Un, ja tā notiek, tad tas nemaz netiek uztverts nopietni, jo ātri vien paklūp uz vienkāršām pārbaudēm. Tātad, ja mēs redzam potenciālās bedres, tad tie ir tikai atstarotāji, kas signalizē, ka kaut kur kaut kas spīd, bet nav skaidrs, vai ir vērts tur vispār doties.

Zināmā fizika nevar tikt galā ar Visumu

Šī “pilnīgi jaunā un atšķirīgā” mirdzuma piemēri? Nu, piemēram, atsitiena ātruma novērojumi, kas šķiet nesaskanīgi ar apgalvojumu, ka Visums ir piepildīts tikai ar Standarta modeļa daļiņām un pakļaujas vispārējai relativitātes teorijai. Mēs zinām, ka ar atsevišķiem gravitācijas avotiem, galaktikām, galaktiku kopām un pat lielajam kosmiskajam tīklam nepietiek, lai izskaidrotu šo fenomenu. Mēs zinām, ka, lai gan standarta modelis nosaka, ka matērija un antimateriāls ir jārada un jāiznīcina vienādos daudzumos, mēs dzīvojam Visumā, kas sastāv galvenokārt no matērijas ar nelielu daudzumu antimatērijas. Citiem vārdiem sakot, mēs redzam, ka "zināmā fizika" nevar izskaidrot visu, ko mēs redzam Visumā.

Daudzi eksperimenti ir devuši negaidītus rezultātus, kas, ja tos pārbaudītu augstākā līmenī, varētu būt revolucionāri. Pat tā sauktā atomu anomālija, kas norāda uz daļiņu esamību, var būt eksperimentāla kļūda, taču tā var būt arī pazīme, ka tiek pārsniegts standarta modelis. Dažādas Visuma mērīšanas metodes dod dažādas vērtības tā izplešanās ātrumam - problēma, kuru mēs detalizēti aplūkojām vienā no jaunākajiem MT izdevumiem.

Tomēr neviena no šīm anomālijām nesniedz pietiekami pārliecinošus rezultātus, lai to uzskatītu par neapstrīdamu jaunas fizikas pazīmi. Jebkurš vai visi no tiem var būt vienkārši statistiskas svārstības vai nepareizi kalibrēts instruments. Daudzi no tiem var norādīt uz jaunu fiziku, taču tos tikpat viegli var izskaidrot, izmantojot zināmas daļiņas un parādības vispārējās relativitātes teorijas un standarta modeļa kontekstā.

Mēs plānojam eksperimentēt, cerot uz skaidrākiem rezultātiem un ieteikumiem. Mēs varam drīz redzēt, vai tumšajai enerģijai ir nemainīga vērtība. Pamatojoties uz Vera Rubin observatorijas plānotajiem galaktiku pētījumiem un datiem par tālām supernovām, kas būs pieejami nākotnē. Nensijas Greisas teleskops, iepriekš WFIRST, mums ir jānoskaidro, vai tumšā enerģija laika gaitā attīstās 1% robežās. Ja tā, tad mūsu "standarta" kosmoloģiskais modelis būs jāmaina. Iespējams, ka arī kosmiskā lāzera interferometra antena (LISA) plāna ziņā mums sagādās pārsteigumus. Īsāk sakot, mēs paļaujamies uz novērošanas transportlīdzekļiem un eksperimentiem, ko mēs plānojam.

Mēs joprojām strādājam arī daļiņu fizikas jomā, cerot atrast parādības ārpus Modeļa, piemēram, precīzāku elektrona un miona magnētisko momentu mērījumu - ja tie nesakrīt, parādās jauna fizika. Mēs strādājam, lai noskaidrotu, kā tie svārstās neitrīno – arī šeit uzspīd jaunā fizika. Un, ja mēs izveidojam precīzu elektronu-pozitronu paātrinātāju, apļveida vai lineāru (2), mēs varam atklāt lietas ārpus standarta modeļa, ko LHC vēl nevar noteikt. Fizikas pasaulē jau sen ir piedāvāta lielāka LHC versija ar apkārtmēru līdz 100 km. Tas dotu lielākas sadursmes enerģijas, kas, pēc daudzu fiziķu domām, beidzot signalizētu par jaunām parādībām. Taču tas ir ārkārtīgi dārgs ieguldījums, un milzu celtniecība tikai pēc principa – "uzcelsim un paskatīsimies, ko tas mums parādīs" rada daudz šaubu.

2. Lineārais leptonu paātrinātājs - vizualizācija

Fiziskajā zinātnē ir divu veidu pieejas problēmām. Pirmais ir kompleksa pieeja, kas sastāv no šaura eksperimenta vai observatorijas dizaina konkrētas problēmas risināšanai. Otro pieeju sauc par brutālā spēka metodi.kurš izstrādā universālu, robežas virzošu eksperimentu vai observatoriju, lai izpētītu Visumu pilnīgi jaunā veidā nekā mūsu iepriekšējās pieejas. Pirmais ir labāk orientēts uz standarta modeli. Otrais ļauj atrast pēdas kaut kam vairāk, bet diemžēl šis kaut kas nav precīzi definēts. Tādējādi abām metodēm ir savi trūkumi.

Meklējiet tā saukto visa teoriju (TUT), fizikas svēto grālu, kas ir jāievieto otrajā kategorijā, jo visbiežāk tas ir saistīts ar arvien augstāku enerģiju atrašanu (3), pie kurām darbojas daba galu galā apvienojas vienā mijiedarbībā.

3. Enerģijas, kas nepieciešamas hipotētiskai mijiedarbības apvienošanai

Nisforna neitrīno

Pēdējā laikā zinātne arvien vairāk koncentrējas uz interesantākām jomām, piemēram, neitrīno pētījumiem, par kuriem mēs nesen publicējām plašu ziņojumu MT. 2020. gada februārī Astrophysical Journal publicēja publikāciju par nezināmas izcelsmes augstas enerģijas neitrīno atklāšanu Antarktīdā. Papildus labi zināmajam eksperimentam tika veikti pētījumi arī salnajā kontinentā ar koda nosaukumu ANITA (), kas sastāvēja no balona ar sensora izlaišanas. radio viļņi.

Gan ANITA, gan ANITA tika izstrādāti, lai meklētu radioviļņus no augstas enerģijas neitrīno, kas saduras ar cieto vielu, kas veido ledu. Hārvardas Astronomijas departamenta priekšsēdētājs Avi Lēbs Salon tīmekļa vietnē paskaidroja: "ANITA atklātie notikumi noteikti šķiet anomālija, jo tos nevar izskaidrot kā neitrīno no astrofiziskiem avotiem. (...) Tā varētu būt kaut kāda daļiņa, kas mijiedarbojas vājāk nekā neitrīno ar parasto vielu. Mums ir aizdomas, ka šādas daļiņas pastāv kā tumšā viela. Bet kas padara ANITA pasākumus tik enerģiskus?”

Neitrīni ir vienīgās daļiņas, par kurām zināms, ka tās ir pārkāpušas standarta modeli. Saskaņā ar elementārdaļiņu standarta modeli mums ir jābūt trīs veidu neitrīniem (elektroniskiem, mioniem un tau) un trīs veidu antineitrīniem, un pēc to veidošanās tiem jābūt stabiliem un nemainīgiem pēc īpašībām. Kopš pagājušā gadsimta 60. gadiem, kad parādījās pirmie Saules radīto neitrīno aprēķini un mērījumi, mēs sapratām, ka pastāv problēma. Mēs zinājām, cik elektronu neitrīno veidojās saules kodols. Bet, kad mēs izmērījām, cik daudz ieradās, mēs redzējām tikai trešo daļu no prognozētā skaita.

Vai nu kaut kas nav kārtībā ar mūsu detektoriem, vai kaut kas nav kārtībā ar mūsu Saules modeli, vai arī kaut kas nav kārtībā ar pašiem neitrīniem. Eksperimenti ar reaktoru ātri atspēkoja domu, ka ar mūsu detektoriem kaut kas nav kārtībā (4). Viņi strādāja, kā paredzēts, un viņu sniegums tika novērtēts ļoti labi. Mūsu atklātie neitrīno tika reģistrēti proporcionāli ienākošo neitrīno skaitam. Gadu desmitiem daudzi astronomi ir apgalvojuši, ka mūsu saules modelis ir nepareizs.

4. Neitrīno notikumu attēli Čerenkova starojumā no Super Kamiokande detektora

Protams, pastāvēja vēl viena eksotiska iespēja, kas, ja tā ir patiesa, mainītu mūsu izpratni par Visumu no standarta modeļa prognozētās. Ideja ir tāda, ka trīs mums zināmajiem neitrīno veidiem patiesībā ir masa, nevis liekties, un ka tās var sajaukt (svārstīties), lai mainītu garšas, ja tām ir pietiekami daudz enerģijas. Ja neitrīno tiek iedarbināts elektroniski, tas var mainīties līdz muons i taonsbet tas ir iespējams tikai tad, ja tam ir masa. Zinātniekus satrauc labās un kreisās puses neitrīno problēma. Jo, ja jūs to nevarat atšķirt, jūs nevarat atšķirt, vai tā ir daļiņa vai antidaļiņa.

Vai neitrīno var būt sava antidaļiņa? Ne pēc parastā standarta modeļa. Fermionsvispār tām nevajadzētu būt viņu pašu antidaļiņām. Fermions ir jebkura daļiņa, kuras rotācija ir ± XNUMX/XNUMX. Šajā kategorijā ietilpst visi kvarki un leptoni, tostarp neitrīno. Tomēr ir īpašs fermionu veids, kas līdz šim pastāv tikai teorētiski - Majorana fermion, kas ir sava antidaļiņa. Ja tas pastāvētu, varētu notikt kaut kas īpašs... bez neitrīno dubultā beta sabrukšana. Un šeit ir iespēja eksperimentētājiem, kuri jau sen ir meklējuši šādu plaisu.

Visos novērotajos procesos, kas saistīti ar neitrīniem, šīm daļiņām piemīt īpašība, ko fiziķi sauc par kreiso roku. Labās rokas neitrīno, kas ir visdabiskākais standarta modeļa paplašinājums, nekur nav redzami. Visām pārējām MS daļiņām ir labās puses versija, bet neitrīniem nav. Kāpēc? Jaunākā, ārkārtīgi visaptverošā analīze, ko veikusi starptautiska fiziķu komanda, tostarp Polijas Zinātņu akadēmijas Kodolfizikas institūts (IFJ PAN) Krakovā, ir veikusi pētījumu par šo jautājumu. Zinātnieki uzskata, ka labās rokas neitrīno novērošanas trūkums varētu pierādīt, ka tie ir Majoranas fermioni. Ja tie būtu, tad to labās puses versija ir ārkārtīgi masīva, kas izskaidro noteikšanas grūtības.

Tomēr mēs joprojām nezinām, vai neitrīno paši ir pretdaļiņas. Mēs nezinām, vai viņi iegūst savu masu no ļoti vājās Higsa bozona saistīšanās, vai arī viņi to iegūst caur kādu citu mehānismu. Un mēs nezinām, varbūt neitrīno sektors ir daudz sarežģītāks, nekā mēs domājam, ar steriliem vai smagiem neitrīniem, kas slēpjas tumsā.

Atomi un citas anomālijas

Elementārdaļiņu fizikā bez modernajiem neitrīniem ir arī citas, mazāk zināmas pētniecības jomas, no kurām var izcelties "jaunā fizika". Piemēram, zinātnieki nesen ir ierosinājuši jauna veida subatomiskās daļiņas, lai izskaidrotu mīklaino kaon sabrukums (5), īpašs gadījums mezona daļiņai, kas sastāv no viens kvarks i viens antikvariāts. Kad kaona daļiņas sadalās, neliela daļa no tām piedzīvo izmaiņas, kas pārsteidza zinātniekus. Šīs sabrukšanas stils var norādīt uz jauna veida daļiņām vai jaunu fizisko spēku darbā. Tas neietilpst standarta modeļa darbības jomā.

Ir vairāk eksperimentu, lai atrastu nepilnības standarta modelī. Tie ietver g-2 mūona meklēšanu. Gandrīz pirms simts gadiem fiziķis Pols Diraks paredzēja elektrona magnētisko momentu, izmantojot g — skaitli, kas nosaka daļiņas griešanās īpašības. Tad mērījumi parādīja, ka "g" nedaudz atšķiras no 2, un fiziķi sāka izmantot starpību starp "g" un 2 faktisko vērtību, lai pētītu subatomisko daļiņu iekšējo struktūru un fizikas likumus kopumā. 1959. gadā CERN Ženēvā, Šveicē, veica pirmo eksperimentu, kurā tika mērīta g-2 vērtība subatomiskajai daļiņai, ko sauc par mionu, kas ir saistīta ar elektronu, bet nestabila un 207 reizes smagāka par elementārdaļiņu.

Brukhevenas Nacionālā laboratorija Ņujorkā sāka savu eksperimentu un publicēja g-2 eksperimenta rezultātus 2004. gadā. Mērījums nebija tāds, kādu paredzēja standarta modelis. Tomēr eksperiments nesavāca pietiekami daudz datu statistiskai analīzei, lai pārliecinoši pierādītu, ka izmērītā vērtība patiešām ir atšķirīga, nevis tikai statistiskās svārstības. Citi pētniecības centri tagad veic jaunus eksperimentus ar g-2, un mēs, iespējams, drīz uzzināsim rezultātus.

Ir kaut kas intriģējošāks par šo Kaona anomālijas i muons. 2015. gadā eksperiments par berilija 8Be sabrukšanu parādīja anomāliju. Ungārijas zinātnieki izmanto savu detektoru. Tomēr, starp citu, viņi atklāja vai domāja, ka atklājuši, kas liecina par piektā dabas pamata spēka esamību.

Kalifornijas universitātes fiziķi sāka interesēties par pētījumu. Viņi ierosināja, ka parādība sauc atomu anomālija, izraisīja pilnīgi jauna daļiņa, kurai bija jānes piektais dabas spēks. To sauc par X17, jo tiek uzskatīts, ka tā atbilstošā masa ir gandrīz 17 miljoni elektronvoltu. Tas ir 30 reizes lielāks par elektrona masu, bet mazāks par protona masu. Un veids, kā X17 uzvedas ar protonu, ir viena no tā dīvainākajām iezīmēm – tas ir, tas vispār nesadarbojas ar protonu. Tā vietā tas mijiedarbojas ar negatīvi lādētu elektronu vai neitronu, kuram vispār nav lādiņa. Tas apgrūtina daļiņas X17 iekļaušanu mūsu pašreizējā standarta modelī. Bozoni ir saistīti ar spēkiem. Gluoni ir saistīti ar spēcīgu spēku, bozoni ar vāju spēku un fotoni ar elektromagnētismu. Ir pat hipotētisks gravitācijas bozons, ko sauc par gravitonu. Kā bozons X17 nesīs savu spēku, tādu, kāds līdz šim mums ir palicis noslēpums un varētu būt.

Visums un tā vēlamais virziens?

Šī gada aprīlī žurnālā Science Advances publicētajā rakstā zinātnieki no Jaundienvidvelsas universitātes Sidnejā ziņoja, ka jauni gaismas mērījumi, ko izstaro kvazārs 13 miljardu gaismas gadu attālumā, apstiprina iepriekšējos pētījumus, kas atklāja nelielas atšķirības smalkajā nemainīgajā struktūrā. no Visuma. Profesors Džons Vebs no UNSW (6) skaidro, ka smalkās struktūras konstante "ir lielums, ko fiziķi izmanto kā elektromagnētiskā spēka mēru." elektromagnētiskais spēks uztur elektronus ap kodoliem katrā Visuma atomā. Bez tā visa matērija sabruktu. Vēl nesen tas tika uzskatīts par pastāvīgu spēku laikā un telpā. Taču savos pētījumos pēdējo divu desmitgažu laikā profesors Vebs ir pamanījis anomāliju cietajā smalkajā struktūrā, kurā elektromagnētiskais spēks, mērot vienā izvēlētā virzienā Visumā, vienmēr šķiet nedaudz atšķirīgs.

"" skaidro Vebs. Neatbilstības parādījās nevis Austrālijas komandas mērījumos, bet gan to rezultātu salīdzināšanā ar daudziem citiem citu zinātnieku veiktajiem kvazāra gaismas mērījumiem.

"" saka profesors Vebs. "". Pēc viņa domām, rezultāti šķietami liecina, ka Visumā varētu būt vēlamais virziens. Citiem vārdiem sakot, Visumam savā ziņā būtu dipola struktūra.

"" Par izteiktajām anomālijām saka zinātnieks.

Šī ir vēl viena lieta: tā vietā, ko uzskatīja par nejaušu galaktiku, kvazāru, gāzes mākoņu un planētu ar dzīvību izplatību, Visumam pēkšņi ir ziemeļu un dienvidu līdzinieks. Profesors Vebs tomēr ir gatavs atzīt, ka zinātnieku mērījumu rezultāti, kas veikti dažādos posmos, izmantojot dažādas tehnoloģijas un no dažādām vietām uz Zemes, patiesībā ir milzīga sakritība.

Vebs norāda, ka, ja Visumā pastāv virziens un ja elektromagnētisms atsevišķos kosmosa reģionos izrādīsies nedaudz atšķirīgs, būs jāpārskata svarīgākie jēdzieni, kas ir pamatā lielai daļai mūsdienu fizikas. "", runā. Modelis ir balstīts uz Einšteina gravitācijas teoriju, kas nepārprotami pieņem dabas likumu nemainīgumu. Un ja nē, tad... doma par visas fizikas celtnes pārvēršanu ir elpu aizraujoša.