Noua fizică strălucește din multe locuri

Orice posibile modificări pe care am dori să le facem Modelului standard al fizicii (1) sau relativității generale, cele două cele mai bune (deși incompatibile) teorii ale universului, sunt deja foarte limitate. Cu alte cuvinte, nu poți schimba mult fără a submina întregul.

Cert este că există și rezultate și fenomene care nu pot fi explicate pe baza modelelor cunoscute nouă. Deci, ar trebui să facem tot posibilul să facem totul inexplicabil sau inconsecvent cu orice preț, în concordanță cu teoriile existente sau ar trebui să căutăm altele noi? Aceasta este una dintre întrebările fundamentale ale fizicii moderne.

Modelul standard al fizicii particulelor a explicat cu succes toate interacțiunile cunoscute și descoperite dintre particule care au fost observate vreodată. Universul este alcătuit din cuarci, leptonov și bosonii gauge, care transmit trei dintre cele patru forțe fundamentale din natură și conferă particulelor masa lor de repaus. Există și relativitatea generală, a noastră, din păcate, nu o teorie cuantică a gravitației, care descrie relația dintre spațiu-timp, materie și energie din univers.

Dificultatea de a depăși aceste două teorii este că, dacă încerci să le schimbi prin introducerea de noi elemente, concepte și cantități, vei obține rezultate care contrazic măsurătorile și observațiile pe care le avem deja. De asemenea, merită să ne amintim că, dacă doriți să depășiți cadrul științific actual, sarcina probei este enormă. Pe de altă parte, este greu să nu te aștepți atât de multe de la cineva care subminează modelele încercate și testate de zeci de ani.

În fața unor astfel de solicitări, nu este de mirare că aproape nimeni nu încearcă să conteste complet paradigma existentă în fizică. Și dacă o face, nu este luată deloc în serios, deoarece se împiedică rapid de verificări simple. Deci, dacă vedem găuri potențiale, atunci acestea sunt doar reflectoare, care semnalează că ceva strălucește undeva, dar nu este clar dacă merită deloc să mergem acolo.

Fizica cunoscută nu poate face față universului

Exemple de strălucire a acestui „complet nou și diferit”? Ei bine, de exemplu, observații ale vitezei de recul, care par incompatibile cu afirmația că Universul este plin doar cu particule ale Modelului Standard și se supune teoriei generale a relativității. Știm că sursele individuale de gravitație, galaxiile, grupurile de galaxii și chiar și marea rețea cosmică nu sunt, probabil, suficiente pentru a explica acest fenomen. Știm că, deși Modelul Standard afirmă că materia și antimateria ar trebui create și distruse în cantități egale, trăim într-un univers compus în mare parte din materie cu o cantitate mică de antimaterie. Cu alte cuvinte, vedem că „fizica cunoscută” nu poate explica tot ceea ce vedem în univers.

Multe experimente au dat rezultate neașteptate care, dacă sunt testate la un nivel superior, ar putea fi revoluționare. Chiar și așa-numita anomalie atomică care indică existența particulelor poate fi o eroare experimentală, dar poate fi și un semn de depășire a modelului standard. Diferite metode de măsurare a universului dau valori diferite pentru rata de expansiune a acestuia - o problemă pe care am analizat-o în detaliu într-unul dintre edițiile recente ale MT.

Cu toate acestea, niciuna dintre aceste anomalii nu oferă rezultate suficient de convingătoare pentru a fi considerată un semn incontestabil al noii fizici. Oricare sau toate acestea pot fi pur și simplu fluctuații statistice sau un instrument calibrat incorect. Multe dintre ele pot indica o nouă fizică, dar pot fi la fel de ușor explicate folosind particule și fenomene cunoscute în contextul relativității generale și al modelului standard.

Intenționăm să experimentăm, în speranța unor rezultate și recomandări mai clare. Putem vedea în curând dacă energia întunecată are o valoare constantă. Bazat pe studiile planificate pe galaxii de către Observatorul Vera Rubin și pe datele despre supernovele îndepărtate care vor fi disponibile în viitor. telescopul nancy grace, anterior WFIRST, trebuie să aflăm dacă energia întunecată evoluează în timp până la 1%. Dacă da, atunci modelul nostru cosmologic „standard” va trebui schimbat. Este posibil ca antena cu interferometru laser spațial (LISA) din punct de vedere al planului să ne ofere și surprize. Pe scurt, ne bazăm pe vehiculele de observație și pe experimentele pe care le plănuim.

De asemenea, lucrăm încă în domeniul fizicii particulelor, sperând să găsim fenomene în afara Modelului, precum o măsurare mai precisă a momentelor magnetice ale electronului și muonului - dacă acestea nu sunt de acord, apare o nouă fizică. Lucrăm să ne dăm seama cum fluctuează neutrini – și aici strălucește o nouă fizică. Și dacă construim un ciocnizor electron-pozitron precis, circular sau liniar (2), putem detecta lucruri dincolo de Modelul standard pe care LHC încă nu le poate detecta. În lumea fizicii, a fost propusă de multă vreme o versiune mai mare a LHC, cu o circumferință de până la 100 km. Acest lucru ar da energii de coliziune mai mari, care, potrivit multor fizicieni, ar semnala în sfârșit fenomene noi. Totuși, aceasta este o investiție extrem de costisitoare, iar construcția unui gigant doar pe principiul - „să-l construim și să vedem ce ne va arăta” ridică multe îndoieli.

2. Ciocnizor liniar de leptoni - vizualizare

Există două tipuri de abordare a problemelor în știința fizică. Prima este o abordare complexă, care constă în proiectarea restrânsă a unui experiment sau a unui observator pentru rezolvarea unei anumite probleme. A doua abordare se numește metoda forței brute.care dezvoltă un experiment sau un observator universal, care depășește limitele, pentru a explora universul într-un mod complet nou decât abordările noastre anterioare. Primul este mai bine orientat în Modelul Standard. Al doilea vă permite să găsiți urme de ceva mai mult, dar, din păcate, acest ceva nu este exact definit. Astfel, ambele metode au dezavantajele lor.

Căutați așa-numita Teorie a Totului (TUT), Sfântul Graal al fizicii, ar trebui plasată în a doua categorie, deoarece de cele mai multe ori se rezumă la găsirea de energii din ce în ce mai înalte (3), la care forțele de natura se combină în cele din urmă într-o singură interacțiune.

3. Energii necesare pentru o ipotetică unificare a interacțiunilor

Neutrin Nisforn

Recent, știința a devenit din ce în ce mai concentrată pe domenii mai interesante, precum cercetarea neutrinilor, despre care am publicat recent un raport amplu în MT. În februarie 2020, Astrophysical Journal a publicat o publicație despre descoperirea neutrinilor de înaltă energie de origine necunoscută în Antarctica. Pe lângă cunoscutul experiment, s-au efectuat cercetări și pe continentul geros sub numele de cod ANITA (), constând în eliberarea unui balon cu senzor. unde radio.

Ambele și ANITA au fost concepute pentru a căuta unde radio de la neutrinii de înaltă energie care se ciocnesc cu materia solidă care alcătuiește gheața. Avi Loeb, președintele Departamentului de Astronomie Harvard, a explicat pe site-ul Salonului: „Evenimentele detectate de ANITA par cu siguranță o anomalie, deoarece nu pot fi explicate ca neutrini din surse astrofizice. (...) Ar putea fi un fel de particulă care interacționează mai slab decât un neutrin cu materia obișnuită. Bănuim că astfel de particule există ca materie întunecată. Dar ce face evenimentele ANITA atât de energice?”

Neutrinii sunt singurele particule cunoscute care încalcă Modelul Standard. Conform Modelului Standard al particulelor elementare, trebuie să avem trei tipuri de neutrini (electronici, muoni și tau) și trei tipuri de antineutrini, iar după formarea lor trebuie să fie stabili și neschimbați în proprietățile lor. Din anii 60, când au apărut primele calcule și măsurători ale neutrinilor produși de Soare, ne-am dat seama că există o problemă. Știam în câți neutrini de electroni s-au format miez solar. Dar când am măsurat câți au sosit, am văzut doar o treime din numărul prezis.

Fie ceva este în neregulă cu detectoarele noastre, fie ceva este în neregulă cu modelul nostru al Soarelui, fie ceva este în neregulă cu neutrinii înșiși. Experimentele cu reactoare au infirmat rapid ideea că ceva nu era în neregulă cu detectoarele noastre (4). Au funcționat conform așteptărilor și performanța lor a fost foarte bine evaluată. Neutrinii pe care i-am detectat au fost înregistrați proporțional cu numărul de neutrini sosiți. De zeci de ani, mulți astronomi au susținut că modelul nostru solar este greșit.

4. Imagini ale evenimentelor de neutrini în radiația Cherenkov de la detectorul Super Kamiokande

Desigur, a existat o altă posibilitate exotică care, dacă era adevărată, ne-ar schimba înțelegerea universului față de ceea ce a prezis Modelul Standard. Ideea este că cele trei tipuri de neutrini pe care le știm au de fapt masă, nu a se sprijini, și că se pot amesteca (fluctua) pentru a schimba arome dacă au suficientă energie. Dacă neutrino este declanșat electronic, se poate schimba pe parcurs muon i taonovdar acest lucru este posibil doar atunci când are masă. Oamenii de știință sunt îngrijorați de problema neutrinilor dreptaci și stângaci. Căci dacă nu o poți distinge, nu poți distinge dacă este o particulă sau o antiparticulă.

Poate un neutrin să fie propria sa antiparticulă? Nu conform modelului standard obișnuit. Fermiuniîn general nu ar trebui să fie propriile lor antiparticule. Un fermion este orice particulă cu o rotație de ± XNUMX/XNUMX. Această categorie include toți quarcii și leptonii, inclusiv neutrinii. Cu toate acestea, există un tip special de fermioni, care până acum există doar în teorie - fermionul Majorana, care este propria sa antiparticulă. Dacă ar exista, s-ar putea întâmpla ceva special... fără neutrini dezintegrare dublă beta. Și iată o șansă pentru experimentatorii care caută de mult un astfel de gol.

În toate procesele observate care implică neutrini, aceste particule prezintă o proprietate pe care fizicienii o numesc stângaci. Neutrinii dreptaci, care sunt cea mai naturală extensie a modelului standard, nu se văd nicăieri. Toate celelalte particule MS au o versiune pentru dreapta, dar neutrinii nu. De ce? Cea mai recentă analiză extrem de cuprinzătoare realizată de o echipă internațională de fizicieni, inclusiv Institutul de Fizică Nucleară al Academiei Poloneze de Științe (IFJ PAN) din Cracovia, a făcut cercetări pe această problemă. Oamenii de știință cred că lipsa de observare a neutrinilor dreptaci ar putea dovedi că aceștia sunt fermioni Majorana. Dacă ar fi, atunci versiunea lor din partea dreaptă este extrem de masivă, ceea ce explică dificultatea detectării.

Cu toate acestea, încă nu știm dacă neutrinii sunt ei înșiși antiparticule. Nu știm dacă își obțin masa din legarea foarte slabă a bosonului Higgs sau dacă o obțin printr-un alt mecanism. Și nu știm, poate că sectorul de neutrini este mult mai complex decât credem, cu neutrini sterili sau grei pândind în întuneric.

Atomi și alte anomalii

În fizica particulelor elementare, pe lângă neutrinii la modă, există și alte domenii de cercetare, mai puțin cunoscute, din care „noua fizică” poate străluci. Oamenii de știință, de exemplu, au propus recent un nou tip de particule subatomice pentru a explica enigmaticul dezintegrare ca (5), un caz special al unei particule de mezon constând din un cuarc i un anticariat. Când particulele de kaon se descompun, o mică parte dintre ele suferă modificări care i-au surprins pe oamenii de știință. Stilul acestei dezintegrare poate indica un nou tip de particule sau o nouă forță fizică la lucru. Acest lucru este în afara domeniului de aplicare al modelului standard.

Există mai multe experimente pentru a găsi lacune în modelul standard. Acestea includ căutarea muonului g-2. În urmă cu aproape o sută de ani, fizicianul Paul Dirac a prezis momentul magnetic al unui electron folosind g, un număr care determină proprietățile de spin ale unei particule. Apoi măsurătorile au arătat că „g” este ușor diferit de 2, iar fizicienii au început să folosească diferența dintre valoarea reală a „g” și 2 pentru a studia structura internă a particulelor subatomice și legile fizicii în general. În 1959, CERN din Geneva, Elveția, a efectuat primul experiment care a măsurat valoarea g-2 a unei particule subatomice numită muon, legată de un electron, dar instabilă și de 207 de ori mai grea decât o particulă elementară.

Laboratorul Național Brookhaven din New York și-a început propriul experiment și a publicat rezultatele experimentului lor g-2 în 2004. Măsurarea nu a fost ceea ce a prezis modelul standard. Cu toate acestea, experimentul nu a colectat suficiente date pentru analiza statistică pentru a demonstra în mod concludent că valoarea măsurată a fost într-adevăr diferită și nu doar o fluctuație statistică. Alte centre de cercetare efectuează acum noi experimente cu g-2 și probabil vom afla rezultatele în curând.

Există ceva mai intrigant decât asta anomalii Kaon i muon. În 2015, un experiment privind degradarea beriliului 8Be a arătat o anomalie. Oamenii de știință din Ungaria își folosesc detectorul. De altfel, ei au descoperit, sau au crezut că au descoperit, ceea ce sugerează existența unei a cincea forțe fundamentale a naturii.

Fizicienii de la Universitatea din California au devenit interesați de studiu. Ei au sugerat că fenomenul a numit anomalie atomică, a fost cauzată de o particulă complet nouă, care trebuia să poarte a cincea forță a naturii. Se numește X17, deoarece masa sa corespunzătoare este considerată a fi de aproape 17 milioane de electroni volți. Aceasta este de 30 de ori masa unui electron, dar mai mică decât masa unui proton. Iar felul în care X17 se comportă cu un proton este una dintre cele mai ciudate caracteristici ale sale - adică nu interacționează deloc cu un proton. În schimb, interacționează cu un electron sau neutron încărcat negativ, care nu are deloc sarcină. Acest lucru face dificilă potrivirea particulei X17 în modelul nostru standard actual. Bosonii sunt asociați cu forțe. Gluonii sunt asociați cu forța puternică, bosonii cu forța slabă și fotonii cu electromagnetismul. Există chiar și un boson ipotetic pentru gravitație numit graviton. Ca boson, X17 va purta o forță proprie, cum ar fi cea care până acum a fost un mister pentru noi și ar putea fi.

Universul și direcția lui preferată?

Într-o lucrare publicată în aprilie în revista Science Advances, oamenii de știință de la Universitatea New South Wales din Sydney au raportat că noile măsurători ale luminii emise de un quasar aflat la 13 miliarde de ani lumină distanță confirmă studiile anterioare care au descoperit mici variații în structura fină constantă. a universului. Profesorul John Webb de la UNSW (6) explică că constanta structurii fine „este o mărime pe care fizicienii o folosesc ca măsură a forței electromagnetice”. forta electromagnetica menține electronii în jurul nucleelor ​​din fiecare atom din univers. Fără el, toată materia s-ar prăbuși. Până de curând, a fost considerată o forță constantă în timp și spațiu. Dar în cercetările sale din ultimele două decenii, profesorul Webb a observat o anomalie în structura solidă fină în care forța electromagnetică, măsurată într-o direcție aleasă în univers, pare să fie întotdeauna ușor diferită.

„”, explică Webb. Inconsecvențele au apărut nu în măsurătorile echipei australiene, ci în compararea rezultatelor acestora cu multe alte măsurători ale luminii quasar de către alți oameni de știință.

„”, spune profesorul Webb. „”. În opinia sa, rezultatele par să sugereze că ar putea exista o direcție preferată în univers. Cu alte cuvinte, universul ar avea într-un anumit sens o structură dipol.

„” Spune omul de știință despre anomaliile marcate.

Acesta este încă un lucru: în loc de ceea ce se credea a fi o răspândire aleatorie de galaxii, quasari, nori de gaz și planete cu viață, universul are dintr-o dată un omologul nordic și sudic. Profesorul Webb este totuși gata să admită că rezultatele măsurătorilor efectuate de oamenii de știință în diferite etape folosind tehnologii diferite și din diferite locuri de pe Pământ sunt de fapt o coincidență uriașă.

Webb subliniază că, dacă există direcționalitate în univers și dacă electromagnetismul se dovedește a fi ușor diferit în anumite regiuni ale cosmosului, conceptele cele mai fundamentale din spatele multor fizicii moderne vor trebui revizuite. „”, vorbește. Modelul se bazează pe teoria gravitației a lui Einstein, care presupune în mod explicit constanța legilor naturii. Și dacă nu, atunci... gândul de a transforma întregul edificiu al fizicii este uluitor.