Nová fyzika presvitá z mnohých miest

Akékoľvek možné zmeny, ktoré by sme chceli vykonať v štandardnom modeli fyziky (1) alebo všeobecnej teórii relativity, našich dvoch najlepších (hoci nezlučiteľných) teórií vesmíru, sú už veľmi obmedzené. Inými slovami, nemôžete veľa zmeniť bez toho, aby ste podkopali celok.

Faktom je, že existujú aj výsledky a javy, ktoré sa nedajú vysvetliť na základe nám známych modelov. Mali by sme sa teda snažiť, aby bolo všetko za každú cenu nevysvetliteľné alebo nekonzistentné v súlade s existujúcimi teóriami, alebo by sme mali hľadať nové? Toto je jedna zo základných otázok modernej fyziky.

Štandardný model časticovej fyziky úspešne vysvetlil všetky známe a objavené interakcie medzi časticami, ktoré kedy boli pozorované. Vesmír sa skladá z kvarky, leptonov a meracie bozóny, ktoré prenášajú tri zo štyroch základných síl v prírode a dodávajú časticiam ich pokojovú hmotnosť. Existuje aj všeobecná relativita, naša, žiaľ, nie kvantová teória gravitácie, ktorá popisuje vzťah medzi časopriestorom, hmotou a energiou vo vesmíre.

Ťažkosti pri prekročení týchto dvoch teórií spočívajú v tom, že ak sa ich pokúsite zmeniť zavedením nových prvkov, konceptov a veličín, získate výsledky, ktoré sú v rozpore s meraniami a pozorovaniami, ktoré už máme. Je tiež potrebné pripomenúť, že ak chcete ísť nad rámec nášho súčasného vedeckého rámca, dôkazné bremeno je obrovské. Na druhej strane je ťažké nečakať toľko od niekoho, kto podkopáva desaťročiami overené modely.

Zoči-voči takýmto požiadavkám nie je prekvapujúce, že takmer nikto sa nepokúša úplne spochybniť existujúcu paradigmu vo fyzike. A ak áno, neberie sa to vôbec vážne, pretože rýchlo narazí na jednoduché kontroly. Ak teda vidíme potenciálne diery, tak sú to len reflektory, signalizujúce, že niekde niečo svieti, no nie je jasné, či sa tam vôbec oplatí ísť.

Známa fyzika si s vesmírom neporadí

Príklady lesku tohto „úplne nového a odlišného“? Napríklad pozorovania rýchlosti spätného rázu, ktoré sa zdajú byť v rozpore s tvrdením, že vesmír je vyplnený iba časticami štandardného modelu a riadi sa všeobecnou teóriou relativity. Vieme, že jednotlivé zdroje gravitácie, galaxie, zhluky galaxií a dokonca ani veľká kozmická sieť na vysvetlenie tohto javu asi nestačia. Vieme, že hoci Štandardný model uvádza, že hmota a antihmota by sa mali vytvárať a ničiť v rovnakých množstvách, žijeme vo vesmíre zloženom prevažne z hmoty s malým množstvom antihmoty. Inými slovami, vidíme, že „známa fyzika“ nedokáže vysvetliť všetko, čo vo vesmíre vidíme.

Mnohé experimenty priniesli neočakávané výsledky, ktoré, ak by boli testované na vyššej úrovni, by mohli byť revolučné. Dokonca aj takzvaná atómová anomália naznačujúca existenciu častíc môže byť experimentálnou chybou, ale môže byť aj znakom prekročenia štandardného modelu. Rôzne metódy merania vesmíru dávajú rôzne hodnoty pre rýchlosť jeho expanzie - problém, ktorý sme podrobne zvážili v jednom z nedávnych vydaní MT.

Žiadna z týchto anomálií však neposkytuje dostatočne presvedčivé výsledky, aby sa dali považovať za nesporný znak novej fyziky. Čokoľvek alebo všetky môžu byť len štatistické výkyvy alebo nesprávne kalibrovaný prístroj. Mnohé z nich môžu poukazovať na novú fyziku, ale rovnako ľahko sa dajú vysvetliť pomocou známych častíc a javov v kontexte všeobecnej relativity a štandardného modelu.

Plánujeme experimentovať, dúfajúc v jasnejšie výsledky a odporúčania. Čoskoro možno uvidíme, či má tmavá energia stálu hodnotu. Na základe plánovaných štúdií galaxií observatória Vera Rubin a údajov o vzdialených supernovách, ktoré budú sprístupnené v budúcnosti. ďalekohľad Nancy Grace, predtým WFIRST, musíme zistiť, či sa temná energia vyvíja s časom v rozmedzí 1%. Ak áno, potom bude potrebné zmeniť náš „štandardný“ kozmologický model. Je možné, že nám plánovane prinesie aj vesmírna laserová interferometrová anténa (LISA). Stručne povedané, počítame s pozorovacími vozidlami a experimentmi, ktoré plánujeme.

Stále pracujeme aj v oblasti časticovej fyziky a dúfame, že nájdeme javy mimo Modelu, ako napríklad presnejšie meranie magnetických momentov elektrónu a miónu – ak nebudú súhlasiť, objaví sa nová fyzika. Pracujeme na tom, aby sme zistili, ako kolíšu neutrína – aj tu presvitá nová fyzika. A ak postavíme presný elektrón-pozitrónový urýchľovač, kruhový alebo lineárny (2), dokážeme odhaliť veci nad rámec štandardného modelu, ktoré LHC ešte nedokáže odhaliť. Vo svete fyziky sa už dlho navrhovala väčšia verzia LHC s obvodom až 100 km. To by poskytlo vyššie kolízne energie, ktoré by podľa mnohých fyzikov konečne signalizovali nové javy. Ide však o mimoriadne drahú investíciu a stavba giganta len na princípe – „postavme si ho a uvidíme, čo nám ukáže“ vzbudzuje množstvo pochybností.

2. Lineárny leptónový urýchľovač - vizualizácia

Vo fyzikálnej vede existujú dva typy prístupu k problémom. Prvým je komplexný prístup, ktorá spočíva v úzkom dizajne experimentu alebo observatória na riešenie konkrétneho problému. Druhý prístup sa nazýva metóda hrubej sily.ktorý vyvíja univerzálny experiment alebo observatórium posúvajúce hranice, aby preskúmal vesmír úplne novým spôsobom ako naše predchádzajúce prístupy. Prvý sa lepšie orientuje v štandardnom modeli. Druhá vám umožňuje nájsť stopy niečoho viac, ale, bohužiaľ, toto niečo nie je presne definované. Obidva spôsoby majú teda svoje nevýhody.

Hľadajte takzvanú teóriu všetkého (TUT), svätý grál fyziky, treba zaradiť do druhej kategórie, pretože väčšinou ide o hľadanie vyšších a vyšších energií (3), pri ktorých pôsobia sily príroda sa nakoniec spojí do jednej interakcie.

3. Energie potrebné na hypotetické zjednotenie interakcií

Nisfornove neutríno

Veda sa v poslednom čase čoraz viac zameriava na zaujímavejšie oblasti, ako je napríklad výskum neutrín, o ktorom sme nedávno publikovali rozsiahlu správu v MT. Vo februári 2020 publikoval časopis Astrophysical Journal publikáciu o objave vysokoenergetických neutrín neznámeho pôvodu v Antarktíde. Okrem známeho experimentu prebiehal na mrazivom kontinente aj výskum pod krycím názvom ANITA (), spočívajúci vo vypustení balóna so senzorom rádiové vlny.

Obaja a ANITA boli navrhnuté tak, aby hľadali rádiové vlny z vysokoenergetických neutrín, ktoré sa zrážajú s pevnou hmotou, ktorá tvorí ľad. Avi Loeb, predseda Harvardského oddelenia astronómie, na webovej stránke Salon vysvetlil: „Udalosti zistené ANITA určite vyzerajú ako anomália, pretože ich nemožno vysvetliť ako neutrína z astrofyzikálnych zdrojov. (...) Mohlo by ísť o nejaký druh častice, ktorá s bežnou hmotou interaguje slabšie ako neutríno. Máme podozrenie, že takéto častice existujú ako temná hmota. Ale čo robí podujatia ANITA tak energickými?“

Neutrína sú jediné známe častice, ktoré porušujú štandardný model. Podľa Štandardného modelu elementárnych častíc musíme mať tri typy neutrín (elektronické, miónové a tau) a tri typy antineutrín, ktoré po svojom vzniku musia byť stabilné a nezmenené vo svojich vlastnostiach. Od 60. rokov XNUMX. storočia, keď sa objavili prvé výpočty a merania neutrín produkovaných Slnkom, sme si uvedomili, že je tu problém. Vedeli sme, v koľkých elektrónových neutrínoch sa vytvorilo solárne jadro. No keď sme zmerali, koľko ich prišlo, videli sme len tretinu predpovedaného počtu.

Buď niečo nie je v poriadku s našimi detektormi, alebo niečo nie je v poriadku s naším modelom Slnka, alebo niečo nie je v poriadku so samotnými neutrínami. Reaktorové experimenty rýchlo vyvrátili názor, že niečo nie je v poriadku s našimi detektormi (4). Pracovali podľa očakávania a ich výkon bol veľmi dobre hodnotený. Neutrína, ktoré sme detegovali, boli registrované v pomere k počtu prichádzajúcich neutrín. Po celé desaťročia mnohí astronómovia tvrdili, že náš solárny model je nesprávny.

4. Obrázky neutrínových udalostí v Čerenkovovom žiarení z detektora Super Kamiokande

Samozrejme, existovala ešte jedna exotická možnosť, ktorá, ak by bola pravdivá, by zmenila naše chápanie vesmíru oproti tomu, čo predpovedal Štandardný model. Myšlienka je, že tri typy neutrín, ktoré poznáme, v skutočnosti majú hmotnosť, nie chudý, a že môžu miešať (kolísať) a meniť chute, ak majú dostatok energie. Ak je neutríno elektronicky spustené, môže sa počas cesty zmeniť mión i taonovale to je možné len vtedy, keď má hmotnosť. Vedcov znepokojuje problém pravotočivých a ľavostranných neutrín. Lebo ak to nedokážete rozlíšiť, nedokážete rozlíšiť, či je to častica alebo antičastica.

Môže byť neutríno svojou vlastnou antičasticou? Nie podľa bežného štandardného modelu. Fermiónyvo všeobecnosti by nemali byť ich vlastnými antičasticami. Fermión je akákoľvek častica s rotáciou ± XNUMX/XNUMX. Táto kategória zahŕňa všetky kvarky a leptóny vrátane neutrín. Existuje však špeciálny druh fermiónov, ktorý zatiaľ existuje len teoreticky – fermión Majorana, ktorý je vlastnou antičasticou. Ak by existoval, mohlo by sa stať niečo zvláštne... bez neutrín dvojitý beta rozpad. A tu je šanca pre experimentátorov, ktorí takúto medzeru dlho hľadajú.

Vo všetkých pozorovaných procesoch zahŕňajúcich neutrína tieto častice vykazujú vlastnosť, ktorú fyzici nazývajú ľaváctvo. Pravotočivé neutrína, ktoré sú najprirodzenejším rozšírením štandardného modelu, nikde nevidieť. Všetky ostatné častice MS majú pravotočivú verziu, ale neutrína nie. prečo? Najnovšia, mimoriadne komplexná analýza medzinárodného tímu fyzikov, vrátane Inštitútu jadrovej fyziky Poľskej akadémie vied (IFJ PAN) v Krakove, urobila výskum na túto tému. Vedci sa domnievajú, že nedostatok pozorovania pravotočivých neutrín môže dokázať, že ide o fermióny Majorana. Ak by boli, potom je ich pravostranná verzia mimoriadne masívna, čo vysvetľuje náročnosť detekcie.

Stále však nevieme, či samotné neutrína sú antičastice. Nevieme, či svoju hmotnosť získavajú z veľmi slabej väzby Higgsovho bozónu, alebo ju získavajú nejakým iným mechanizmom. A nevieme, možno je sektor neutrín oveľa zložitejší, ako si myslíme, so sterilnými alebo ťažkými neutrínami, ktoré číhajú v tme.

Atómy a iné anomálie

Vo fyzike elementárnych častíc okrem módnych neutrín existujú aj iné, menej známe oblasti výskumu, z ktorých môže presvitať „nová fyzika“. Vedci napríklad nedávno navrhli nový typ subatomárnych častíc na vysvetlenie záhad rozpad ako (5), špeciálny prípad mezónovej častice pozostávajúcej z jeden kvark i jeden starožitník. Keď sa častice kaonu rozpadajú, malá časť z nich prejde zmenami, ktoré vedcov prekvapili. Štýl tohto rozpadu môže naznačovať nový typ častíc alebo novú fyzickú silu v práci. Toto je mimo rámca štandardného modelu.

Existuje viac experimentov na nájdenie medzier v štandardnom modeli. Patrí medzi ne hľadanie miónu g-2. Takmer pred sto rokmi fyzik Paul Dirac predpovedal magnetický moment elektrónu pomocou g, čísla, ktoré určuje spinové vlastnosti častice. Potom merania ukázali, že "g" sa mierne líši od 2 a fyzici začali používať rozdiel medzi skutočnou hodnotou "g" a 2 na štúdium vnútornej štruktúry subatomárnych častíc a fyzikálnych zákonov všeobecne. V roku 1959 CERN v Ženeve vo Švajčiarsku uskutočnil prvý experiment, ktorý meral hodnotu g-2 subatomárnej častice nazývanej mión, naviazanej na elektrón, ale nestabilnej a 207-krát ťažšej ako elementárna častica.

Brookhaven National Laboratory v New Yorku spustilo svoj vlastný experiment a v roku 2 zverejnilo výsledky svojho experimentu s g-2004. Meranie nebolo také, aké štandardný model predpovedal. Experiment však nezozbieral dostatok údajov na štatistickú analýzu, ktorá by presvedčivo dokázala, že nameraná hodnota bola skutočne odlišná a nešlo len o štatistickú fluktuáciu. Ďalšie výskumné centrá teraz vykonávajú nové experimenty s g-2 a výsledky sa pravdepodobne dozvieme čoskoro.

Je tu niečo zaujímavejšie ako toto Kaonské anomálie i mión. V roku 2015 experiment na rozpade berýlia 8Be ukázal anomáliu. Vedci v Maďarsku používajú svoj detektor. Náhodou však objavili alebo si mysleli, že objavili, čo naznačuje existenciu piatej základnej sily prírody.

O štúdiu sa začali zaujímať fyzici z Kalifornskej univerzity. Naznačovali, že fenomén tzv atómová anomália, spôsobila úplne nová častica, ktorá mala niesť piatu silu prírody. Nazýva sa X17, pretože sa predpokladá, že jeho zodpovedajúca hmotnosť je takmer 17 miliónov elektrónvoltov. To je 30-násobok hmotnosti elektrónu, ale menej ako hmotnosť protónu. A spôsob, akým sa X17 správa s protónom, je jednou z jeho najzvláštnejších vlastností – to znamená, že vôbec neinteraguje s protónom. Namiesto toho interaguje so záporne nabitým elektrónom alebo neutrónom, ktorý nemá vôbec žiadny náboj. To sťažuje začlenenie častice X17 do nášho súčasného štandardného modelu. Bosóny sú spojené so silami. Gluóny sú spojené so silnou silou, bozóny so slabou silou a fotóny s elektromagnetizmom. Existuje dokonca aj hypotetický bozón pre gravitáciu nazývaný gravitón. Ako bozón bude X17 niesť vlastnú silu, ako je tá, ktorá pre nás doteraz zostávala záhadou a mohla by byť.

Vesmír a jeho preferovaný smer?

V článku publikovanom tento rok v apríli v časopise Science Advances vedci z University of New South Wales v Sydney uviedli, že nové merania svetla vyžarovaného kvazarom vzdialeným 13 miliárd svetelných rokov potvrdzujú predchádzajúce štúdie, ktoré našli malé odchýlky v jemnej konštantnej štruktúre. vesmíru. Profesor John Webb z UNSW (6) vysvetľuje, že konštanta jemnej štruktúry „je veličina, ktorú fyzici používajú ako mieru elektromagnetickej sily“. elektromagnetická sila udržiava elektróny okolo jadier v každom atóme vo vesmíre. Bez nej by sa všetka hmota rozpadla. Donedávna bola považovaná za stálu silu v čase a priestore. Ale vo svojom výskume za posledné dve desaťročia si profesor Webb všimol anomáliu v pevnej jemnej štruktúre, v ktorej sa elektromagnetická sila, meraná v jednom zvolenom smere vo vesmíre, vždy zdá byť mierne odlišná.

"" vysvetľuje Webb. Nezrovnalosti sa neobjavili v meraniach austrálskeho tímu, ale v porovnaní ich výsledkov s mnohými ďalšími meraniami svetla kvazarov inými vedcami.

"" hovorí profesor Webb. "". Podľa jeho názoru sa zdá, že výsledky naznačujú, že vo vesmíre môže existovať preferovaný smer. Inými slovami, vesmír by v určitom zmysle mal dipólovú štruktúru.

"" Hovorí vedec o výrazných anomáliách.

Toto je ešte jedna vec: namiesto toho, čo sa považovalo za náhodné rozšírenie galaxií, kvazarov, oblakov plynu a planét so životom, má vesmír zrazu severný a južný náprotivok. Profesor Webb je napriek tomu pripravený priznať, že výsledky meraní vedcov uskutočnených v rôznych fázach pomocou rôznych technológií a z rôznych miest na Zemi sú v skutočnosti obrovskou náhodou.

Webb poukazuje na to, že ak existuje smerovanie vo vesmíre a ak sa ukáže, že elektromagnetizmus je v určitých oblastiach kozmu mierne odlišný, bude potrebné prehodnotiť najzákladnejšie koncepty, ktoré stoja za veľkou časťou modernej fyziky. "", hovorí. Model je založený na Einsteinovej teórii gravitácie, ktorá výslovne predpokladá stálosť prírodných zákonov. A ak nie, potom ... myšlienka otočiť celú budovu fyziky je úchvatná.