Новата физика блеска од многу места

Сите можни промени што би сакале да ги направиме во Стандардниот модел на физиката (1) или општата релативност, нашите две најдобри (иако некомпатибилни) теории за универзумот, се веќе многу ограничени. Со други зборови, не можете да промените многу без да ја поткопате целината.

Факт е дека има и резултати и појави кои не можат да се објаснат врз основа на нам познатите модели. Значи, дали треба да тргнеме од нашиот пат за да направиме сè што е необјасниво или неконзистентно по секоја цена во согласност со постоечките теории или треба да бараме нови? Ова е едно од основните прашања на модерната физика.

Стандардниот модел на физика на честички успешно ги објасни сите познати и откриени интеракции помеѓу честичките кои некогаш биле забележани. Универзумот е составен од кваркови, лептонов и мерни бозони, кои пренесуваат три од четирите фундаментални сили во природата и им даваат на честичките маса на мирување. Постои и општа релативност, нашата, за жал, не квантна теорија на гравитација, која го опишува односот помеѓу простор-времето, материјата и енергијата во универзумот.

Тешкотијата да се оди подалеку од овие две теории е дека ако се обидете да ги промените со воведување нови елементи, концепти и количини, ќе добиете резултати кои се контрадикторни со мерењата и набљудувањата што веќе ги имаме. Исто така, вреди да се запамети дека ако сакате да ја надминете нашата сегашна научна рамка, товарот на докажување е огромен. Од друга страна, тешко е да не се очекува толку многу од некој што ги поткопува моделите испробани и тестирани со децении.

Наспроти ваквите барања, не е изненадувачки што ретко кој се обидува целосно да ја оспори постоечката парадигма во физиката. А ако е така, воопшто не се сфаќа сериозно, бидејќи брзо се сопнува на едноставни проверки. Значи, ако видиме потенцијални дупки, тогаш тоа се само рефлектори, кои сигнализираат дека нешто сјае некаде, но не е јасно дали воопшто вреди да се оди таму.

Познатата физика не може да се справи со универзумот

Примери за треперењето на ова „сосема ново и поинакво“? Па, на пример, набљудувањата на стапката на одвраќање, кои изгледаат неусогласени со изјавата дека Универзумот е исполнет само со честички од Стандардниот модел и ја почитува општата теорија на релативноста. Знаеме дека поединечни извори на гравитација, галаксии, јата галаксии, па дури и големата космичка мрежа не се доволни за да се објасни овој феномен, можеби. Знаеме дека, иако Стандардниот модел вели дека материјата и антиматеријата треба да се создаваат и уништат во еднакви количини, ние живееме во универзум составен претежно од материја со мала количина на антиматерија. Со други зборови, гледаме дека „познатата физика“ не може да објасни се што гледаме во универзумот.

Многу експерименти дадоа неочекувани резултати кои, доколку се тестираат на повисоко ниво, би можеле да бидат револуционерни. Дури и таканаречената атомска аномалија која укажува на постоење на честички може да биде експериментална грешка, но може да биде и знак за надминување на стандардниот модел. Различните методи за мерење на универзумот даваат различни вредности за брзината на неговото ширење - проблем што детално го разгледавме во едно од последните изданија на МТ.

Сепак, ниту една од овие аномалии не дава доволно убедливи резултати за да се смета за неоспорен знак на новата физика. Секое или сите од овие може едноставно да бидат статистички флуктуации или неправилно калибриран инструмент. Многу од нив можеби укажуваат на нова физика, но исто толку лесно можат да се објаснат со користење на познати честички и феномени во контекст на општата релативност и Стандардниот модел.

Планираме да експериментираме, надевајќи се на појасни резултати и препораки. Можеби наскоро ќе видиме дали темната енергија има константна вредност. Врз основа на планираните галактички студии од опсерваторијата Вера Рубин и податоците за далечните супернови кои ќе бидат достапни во иднина. Ненси Грејс телескоп, претходно WFIRST, треба да откриеме дали темната енергија еволуира со текот на времето до 1%. Ако е така, тогаш нашиот „стандарден“ космолошки модел ќе треба да се смени. Можно е вселенската ласерска интерферометарска антена (LISA) во план исто така да ни приреди изненадувања. Накратко, сметаме на возилата за набљудување и експериментите што ги планираме.

Ние, исто така, сè уште работиме на полето на физиката на честичките, надевајќи се дека ќе најдеме феномени надвор од Моделот, како што е попрецизно мерење на магнетните моменти на електронот и мионот - ако тие не се согласуваат, се појавува нова физика. Работиме да откриеме како тие флуктуираат неутрино – И овде блеска нова физика. И ако изградиме точен електрон-позитронски судирач, кружен или линеарен (2), можеме да откриеме работи надвор од Стандардниот модел што LHC сè уште не може да ги открие. Во светот на физиката, одамна е предложена поголема верзија на LHC со обем до 100 km. Ова би дало повисоки енергии на судир, кои, според многу физичари, конечно би сигнализирале нови појави. Сепак, ова е исклучително скапа инвестиција, а изградбата на гигант само по принципот - „да го изградиме и да видиме што ќе ни покаже“ предизвикува многу сомнежи.

2. Линеарен лептонски судирач - визуелизација

Постојат два типа на пристап кон проблемите во физичката наука. Првиот е комплексен пристап, кој се состои во тесен дизајн на експеримент или опсерваторија за решавање на конкретен проблем. Вториот пристап се нарекува метод на брутална сила.кој развива универзален експеримент или опсерваторија за туркање граници за да го истражи универзумот на сосема нов начин од нашите претходни пристапи. Првиот е подобро ориентиран во Стандардниот модел. Вториот ви овозможува да најдете траги од нешто повеќе, но, за жал, ова нешто не е точно дефинирано. Така, двата методи имаат свои недостатоци.

Побарајте ја таканаречената Теорија на сè (TUT), светиот грал на физиката, треба да се стави во втората категорија, бидејќи почесто отколку не се сведува на пронаоѓање на повисоки и повисоки енергии (3), на кои силите на природата на крајот се комбинира во една интеракција.

3. Енергии потребни за хипотетичко обединување на интеракциите

Нисфорн неутрино

Неодамна, науката се повеќе и повеќе се фокусира на поинтересни области, како што е истражувањето на неутрино, за кое неодамна објавивме опширен извештај во МТ. Во февруари 2020 година, Astrophysical Journal објави публикација за откривањето на високоенергетски неутрина од непознато потекло на Антарктикот. Покрај добро познатиот експеримент, беше спроведено истражување и на ладен континент под кодното име ANITA (), што се состои во ослободување на балон со сензор радио бранови.

И двете и ANITA беа дизајнирани да бараат радио бранови од високоенергетски неутрина кои се судираат со цврстата материја што го сочинува мразот. Ави Лоеб, претседател на Одделот за астрономија на Харвард, објасни на веб-страницата на Салон: „Настаните откриени од АНИТА секако изгледаат како аномалија бидејќи не можат да се објаснат како неутрина од астрофизички извори. (...) Тоа би можело да биде некаква честичка што е послабо од неутрино со обична материја. Се сомневаме дека таквите честички постојат како темна материја. Но, што ги прави настаните на АНИТА толку енергични?“

Неутрините се единствените познати честички кои го нарушуваат Стандардниот модел. Според Стандардниот модел на елементарни честички, мора да имаме три типа на неутрина (електронски, мион и тау) и три типа на антинеутрина, а по нивното формирање тие мора да бидат стабилни и непроменети по своите својства. Од 60-тите, кога се појавија првите пресметки и мерења на неутрината произведени од Сонцето, сфативме дека има проблем. Знаевме во колку електронски неутрина се формирани сончево јадро. Но, кога измеривме колку пристигнале, видовме само една третина од предвидената бројка.

Или нешто не е во ред со нашите детектори, или нешто не е во ред со нашиот модел на Сонцето, или нешто не е во ред со самите неутрина. Експериментите на реакторот брзо ја отфрлија идејата дека нешто не е во ред со нашите детектори (4). Тие работеа како што се очекуваше и нивните перформанси беа многу добро оценети. Неутрините што ги откривме беа регистрирани пропорционално со бројот на пристигнувани неутрина. Со децении, многу астрономи тврдеа дека нашиот соларен модел е погрешен.

4. Слики од неутрино настани во Черенковото зрачење од детекторот Супер Камиоканде

Се разбира, постоеше уште една егзотична можност која, доколку е вистина, ќе го промени нашето разбирање за универзумот од она што го предвиде Стандардниот модел. Идејата е дека трите типа на неутрина што ги знаеме всушност имаат маса, не посно, и дека можат да се мешаат (флуктуираат) за да ги променат вкусовите доколку имаат доволно енергија. Ако неутриното е електронски активирано, може да се промени на патот до мион i таонино тоа е можно само кога има маса. Научниците се загрижени за проблемот со десничарските и левораките неутрина. Зашто, ако не можете да го разликувате, не можете да разликувате дали е честичка или античестичка.

Дали неутриното може да биде сопствена античестичка? Не според вообичаениот стандарден модел. Фермионгенерално тие не треба да бидат нивни сопствени античестички. Фермион е секоја честичка со ротација од ± XNUMX/XNUMX. Оваа категорија ги вклучува сите кваркови и лептони, вклучувајќи ги и неутрините. Сепак, постои посебен вид фермиони, кој досега постои само во теорија - фермионот Мајорана, кој е сопствена античестичка. Да постоеше, можеби ќе се случува нешто посебно... без неутрино двојно бета распаѓање. И еве шанса за експериментатори кои долго време бараат таков јаз.

Во сите набљудувани процеси кои вклучуваат неутрина, овие честички покажуваат својство што физичарите го нарекуваат леворакост. Десничарските неутрина, кои се најприродното продолжение на Стандардниот модел, ги нема никаде. Сите други MS честички имаат десна верзија, но неутрината немаат. Зошто? Последната, исклучително сеопфатна анализа на меѓународен тим на физичари, вклучувајќи го и Институтот за нуклеарна физика на Полската академија на науките (IFJ PAN) во Краков, направи истражување за ова прашање. Научниците веруваат дека недостатокот на набљудување на десничарските неутрина може да докаже дека се работи за фермиони Мајорана. Ако беа, тогаш нивната десна верзија е исклучително масивна, што ја објаснува тешкотијата на откривање.

Сепак, сè уште не знаеме дали неутрините се самите античестички. Не знаеме дали својата маса ја добиваат од многу слабото врзување на Хигсовиот бозон или ја добиваат преку некој друг механизам. И не знаеме, можеби секторот на неутрино е многу покомплексен отколку што мислиме, со стерилни или тешки неутрина кои демнат во темнината.

Атоми и други аномалии

Во физиката на елементарните честички, покрај модерните неутрина, постојат и други, помалку познати области на истражување од кои може да блесне „новата физика“. Научниците, на пример, неодамна предложија нов тип на субатомски честички за да го објаснат енигматичното каонско распаѓање (5), посебен случај на мезонска честичка која се состои од еден кварк i еден продавач на антиквитети. Кога честичките на каонот се распаѓаат, мал дел од нив претрпуваат промени кои ги изненадија научниците. Стилот на ова распаѓање може да укаже на нов тип на честички или нова физичка сила на работа. Ова е надвор од опсегот на Стандардниот модел.

Има повеќе експерименти за да се најдат празнини во Стандардниот модел. Тие вклучуваат пребарување на г-2 мион. Пред речиси сто години, физичарот Пол Дирак го предвидел магнетниот момент на електронот користејќи g, број што ги одредува својствата на спин на честичката. Потоа мерењата покажаа дека „g“ е малку различно од 2, а физичарите почнаа да ја користат разликата помеѓу вистинската вредност на „g“ и 2 за да ја проучуваат внатрешната структура на субатомските честички и законите на физиката воопшто. Во 1959 година, ЦЕРН во Женева, Швајцарија, го спроведе првиот експеримент со кој се мери вредноста на g-2 на субатомска честичка наречена мион, врзана за електрон, но нестабилна и 207 пати потешка од елементарна честичка.

Националната лабораторија Брукхевен во Њујорк започна свој експеримент и ги објави резултатите од нивниот експеримент g-2 во 2004 година. Мерењето не беше она што го предвиде Стандардниот модел. Сепак, експериментот не собра доволно податоци за статистичка анализа за да се докаже дека измерената вредност е навистина различна, а не само статистичка флуктуација. Други истражувачки центри сега спроведуваат нови експерименти со g-2, а резултатите веројатно ќе ги знаеме наскоро.

Има нешто поинтригантно од ова Каонски аномалии i мион. Во 2015 година, експеримент за распаѓање на берилиум 8Be покажа аномалија. Научниците во Унгарија го користат својот детектор. Меѓутоа, случајно, тие откриле или мислеле дека откриле, што укажува на постоење на петта основна сила на природата.

Физичарите од Универзитетот во Калифорнија се заинтересирале за студијата. Тие сугерираа дека феноменот повика атомска аномалија, беше предизвикана од сосема нова честичка, која требаше да ја носи петтата сила на природата. Се нарекува X17 бидејќи се смета дека неговата соодветна маса е скоро 17 милиони електрон волти. Ова е 30 пати поголема од масата на електрон, но помала од масата на протонот. А начинот на кој X17 се однесува со протонот е една од неговите најчудни карактеристики - односно, тој воопшто не комуницира со протон. Наместо тоа, тој комуницира со негативно наелектризиран електрон или неутрон, кој воопшто нема полнеж. Ова го отежнува вклопувањето на честичката X17 во нашиот сегашен стандарден модел. Бозоните се поврзани со сили. Глуоните се поврзани со силната сила, бозоните со слабата сила, а фотоните со електромагнетизмот. Постои дури и хипотетички бозон за гравитација наречен гравитон. Како бозон, X17 ќе носи своја сила, каква што досега ни остана мистерија и би можела да биде.

Универзумот и неговата претпочитана насока?

Во трудот објавен овој април во списанието Science Advances, научниците од Универзитетот во Нов Јужен Велс во Сиднеј објавија дека новите мерења на светлината емитирана од квазар оддалечен 13 милијарди светлосни години ги потврдуваат претходните студии кои откриле мали варијации во фината константна структура. на универзумот. Професорот Џон Веб од UNSW (6) објаснува дека константата на фината структура „е количество што физичарите го користат како мерка за електромагнетната сила“. електромагнетна сила ги одржува електроните околу јадрата во секој атом во универзумот. Без него, целата материја би се распаднала. До неодамна се сметаше за постојана сила во времето и просторот. Но, во своето истражување во последните две децении, професорот Веб забележал аномалија во цврстата фина структура во која електромагнетната сила, измерена во една избрана насока во универзумот, секогаш се чини дека е малку поинаква.

“, објаснува Веб. Недоследностите се појавија не во мерењата на австралискиот тим, туку во споредувањето на нивните резултати со многу други мерења на квазарната светлина од други научници.

“, вели професорот Веб. "". Според неговото мислење, резултатите се чини дека сугерираат дека можеби има претпочитана насока во универзумот. Со други зборови, универзумот во некоја смисла би имал диполна структура.

“, вели научникот за означените аномалии.

Ова е уште една работа: наместо она што се мислеше дека е случајно ширење на галаксии, квазари, гасни облаци и планети со живот, универзумот одеднаш има северен и јужен пандан. Професорот Веб сепак е подготвен да признае дека резултатите од мерењата на научниците извршени во различни фази користејќи различни технологии и од различни места на Земјата се всушност огромна случајност.

Веб истакнува дека ако постои насочност во универзумот и ако се покаже дека електромагнетизмот е малку поинаков во одредени региони на космосот, најфундаменталните концепти зад голем дел од модерната физика ќе треба повторно да се разгледаат. „“, зборува. Моделот се заснова на Ајнштајновата теорија за гравитација, која експлицитно ја претпоставува постојаноста на законите на природата. А ако не, тогаш ... помислата да се сврти целото здание на физиката го одзема здивот.