Uus füüsika kumab läbi mitmelt poolt

Kõik võimalikud muudatused, mida me tahaksime teha füüsika standardmudelis (1) või üldrelatiivsusteoorias, meie kahes parimas (kuigi kokkusobimatus) universumi teoorias, on juba väga piiratud. Teisisõnu ei saa te palju muuta ilma tervikut õõnestamata.

Fakt on see, et on ka tulemusi ja nähtusi, mida meile teadaolevate mudelite põhjal ei saa seletada. Kas me peaksime tegema kõik endast oleneva, et muuta kõik iga hinna eest seletamatuks või vastuoluliseks olemasolevate teooriatega kooskõlas või peaksime otsima uusi? See on üks kaasaegse füüsika põhiküsimusi.

Osakeste füüsika standardmudel on edukalt selgitanud kõiki teadaolevaid ja avastatud osakeste vahelisi koostoimeid, mida on kunagi täheldatud. Universum koosneb kvargid, leptonov ja mõõdetavad bosonid, mis edastavad kolm neljast looduses leiduvast põhijõust ja annavad osakestele nende puhkemassi. On olemas ka üldrelatiivsusteooria, meie kahjuks mitte gravitatsiooni kvantteooria, mis kirjeldab aegruumi, aine ja energia suhet universumis.

Nendest kahest teooriast kaugemale jõudmise raskus seisneb selles, et kui proovite neid muuta uute elementide, mõistete ja suuruste kasutuselevõtuga, saate tulemusi, mis on vastuolus juba olemasolevate mõõtmiste ja vaatlustega. Samuti tasub meeles pidada, et kui soovite minna kaugemale meie praegusest teaduslikust raamistikust, on tõendamiskoormus tohutu. Teisest küljest on raske mitte nii palju oodata kelleltki, kes õõnestab aastakümneid proovitud mudeleid.

Selliseid nõudmisi silmas pidades pole üllatav, et vaevalt keegi üritab olemasolevat füüsika paradigmat täielikult vaidlustada. Ja kui see juhtub, siis ei võeta seda üldse tõsiselt, kuna see komistab kiiresti lihtsate kontrollide otsa. Seega, kui näeme potentsiaalseid auke, siis need on lihtsalt helkurid, mis annavad märku, et kuskil paistab midagi, aga pole selge, kas sinna üldse tasub minna.

Tuntud füüsika ei saa universumiga hakkama

Näiteid selle “täiesti uue ja teistsuguse” virvendamisest? Noh, näiteks tagasilöögikiiruse vaatlused, mis näivad olevat vastuolus väitega, et universum on täidetud ainult standardmudeli osakestega ja järgib üldist relatiivsusteooriat. Teame, et üksikud gravitatsiooniallikad, galaktikad, galaktikate parved ja isegi suur kosmiline võrk ei ole selle nähtuse selgitamiseks piisavad. Me teame, et kuigi standardmudel väidab, et ainet ja antiainet tuleks luua ja hävitada võrdsetes kogustes, elame universumis, mis koosneb peamiselt ainest, milles on väike kogus antiainet. Teisisõnu näeme, et "tuntud füüsika" ei suuda seletada kõike, mida me universumis näeme.

Paljud katsed on andnud ootamatuid tulemusi, mis kõrgemal tasemel testimisel võivad olla revolutsioonilised. Isegi osakeste olemasolule viitav nn aatomianomaalia võib olla katseviga, kuid see võib olla ka märk standardmudelist kaugemale minemisest. Erinevad universumi mõõtmismeetodid annavad selle paisumiskiirusele erinevad väärtused - probleemi, mida käsitlesime üksikasjalikult ühes hiljutises MT numbris.

Ükski neist anomaaliatest ei anna aga piisavalt veenvaid tulemusi, et seda saaks pidada uue füüsika vaieldamatuks märgiks. Kõik või kõik need võivad olla lihtsalt statistilised kõikumised või valesti kalibreeritud instrument. Paljud neist võivad viidata uuele füüsikale, kuid neid saab sama lihtsalt seletada tuntud osakeste ja nähtuste abil üldrelatiivsusteooria ja standardmudeli kontekstis.

Plaanime katsetada, lootes selgemaid tulemusi ja soovitusi. Peagi võime näha, kas tumedal energial on püsiv väärtus. Põhineb Vera Rubini observatooriumi kavandatud galaktikauuringutel ja kaugete supernoovade andmetel, mis tehakse kättesaadavaks tulevikus. nancy grace'i teleskoop, varem WFIRST, peame välja selgitama, kas tumeenergia areneb aja jooksul 1% täpsusega. Kui jah, siis tuleb meie "standardset" kosmoloogilist mudelit muuta. Võimalik, et plaanipäraselt valmistab meile üllatusi ka kosmoselaseri interferomeetri antenn (LISA). Lühidalt öeldes loodame kavandatavatele vaatlussõidukitele ja katsetele.

Samuti töötame endiselt osakestefüüsika vallas, lootes leida Mudeliväliseid nähtusi, näiteks elektroni ja müüoni magnetmomentide täpsem mõõtmine - kui need ei nõustu, ilmub uus füüsika. Töötame selle nimel, et välja selgitada, kuidas need kõikuvad neutriino – ka siit kumab läbi uus füüsika. Ja kui ehitame täpse elektron-positroni põrkuri, ümmarguse või lineaarse (2), saame tuvastada standardmudelist kaugemale jäävaid asju, mida LHC veel tuvastada ei suuda. Füüsikamaailmas on pikka aega pakutud LHC suuremat versiooni, mille ümbermõõt on kuni 100 km. See annaks suuremad kokkupõrkeenergiad, mis paljude füüsikute arvates annaks lõpuks märku uutest nähtustest. Tegemist on aga ülikalli investeeringuga ning hiiglase ehitamine vaid põhimõttel – "ehitame ja vaatame, mis see meile näitab" tekitab palju kahtlusi.

2. Lineaarne lepton Collider – visualiseerimine

Füüsikateaduses on probleemidele kahte tüüpi lähenemist. Esimene on kompleksne lähenemine, mis seisneb eksperimendi või vaatluskeskuse kitsas ülesehituses konkreetse probleemi lahendamiseks. Teist lähenemist nimetatakse toore jõu meetodiks.kes töötab välja universaalse, piire nihutava katse või observatooriumi, et uurida universumit täiesti uuel viisil kui meie senised lähenemisviisid. Esimene on standardmudelis paremini orienteeritud. Teine võimaldab teil leida jälgi millestki enamast, kuid kahjuks pole see midagi täpselt määratletud. Seega on mõlemal meetodil omad puudused.

Otsige nn kõige teooriat (TTÜ), füüsika püha graalit, tuleks paigutada teise kategooriasse, kuna enamasti taandub see üha kõrgemate energiate leidmisele (3), mille juures mõjuvad jõud loodus ühineb lõpuks üheks suhtluseks.

3. Energiad, mis on vajalikud interaktsioonide hüpoteetiliseks ühendamiseks

neutriino Nisforn

Viimasel ajal on teadus üha enam keskendunud huvitavamatele valdkondadele, nagu neutriinouuringud, mille kohta avaldasime hiljuti MT-s ulatusliku raporti. 2020. aasta veebruaris avaldas ajakiri Astrophysical Journal väljaande tundmatu päritoluga suure energiaga neutriinode avastamise kohta Antarktikas. Lisaks tuntud eksperimendile tehti härmas kontinendil koodnime ANITA () all ka uuringuid, mis seisnesid anduriga õhupalli vabastamises. raadiolained.

Mõlemad ja ANITA olid mõeldud raadiolainete otsimiseks suure energiaga neutriinodest, mis põrkuvad kokku jää moodustava tahke ainega. Harvardi astronoomiaosakonna juhataja Avi Loeb selgitas Salongi veebisaidil: "ANITA tuvastatud sündmused tunduvad kindlasti anomaaliana, sest neid ei saa seletada astrofüüsikalistest allikatest pärinevate neutriinodena. (...) See võib olla mingi osake, mis suhtleb tavalise ainega nõrgemalt kui neutriino. Me kahtlustame, et sellised osakesed eksisteerivad tumeainena. Aga mis teeb ANITA üritused nii energiliseks?

Neutriinod on ainsad teadaolevad osakesed, mis rikuvad standardmudelit. Elementaarosakeste standardmudeli järgi peab meil olema kolme tüüpi neutriinosid (elektroonilised, müüon ja tau) ja kolme tüüpi antineutriinosid, mis pärast nende tekkimist peavad olema stabiilsed ja oma omadustelt muutumatud. Alates 60. aastatest, mil ilmusid esimesed Päikese toodetud neutriinode arvutused ja mõõtmised, mõistsime, et probleem on olemas. Teadsime, kui paljudes elektronneutriinodes tekkisid päikese tuum. Kui aga mõõtsime, kui palju saabusid, nägime ennustatust vaid kolmandikku.

Midagi on valesti meie detektoritega või midagi on valesti meie Päikese mudeliga või midagi on valesti neutriinode endiga. Reaktorikatsed lükkasid kiiresti ümber arvamuse, et meie detektoritega on midagi valesti (4). Nad töötasid ootuspäraselt ja nende esitus oli väga hästi hinnatud. Meie tuvastatud neutriinod registreeriti võrdeliselt saabuvate neutriinode arvuga. Aastakümneid on paljud astronoomid väitnud, et meie päikesemudel on vale.

4. Super Kamiokande detektori neutriinosündmuste pildid Tšerenkovi kiirguses

Muidugi oli veel üks eksootiline võimalus, mis, kui see on tõsi, muudaks meie arusaama universumist sellest, mida standardmudel ennustas. Idee seisneb selles, et kolmel meile tuntud neutriinotüübil on tegelikult mass, mitte lahjaja et nad võivad maitsete muutmiseks segada (kõikuda), kui neil on piisavalt energiat. Kui neutriino käivitatakse elektrooniliselt, võib see muutuda muuon i taonovkuid see on võimalik ainult siis, kui sellel on mass. Teadlased on mures parema- ja vasakukäeliste neutriinode probleemi pärast. Sest kui te ei suuda seda eristada, ei saa te ka eristada, kas see on osake või antiosake.

Kas neutriino võib olla iseenda antiosake? Mitte tavalise standardmudeli järgi. Fermionsüldiselt ei tohiks need olla nende endi antiosakesed. Fermioon on mis tahes osake, mille pöörlemissagedus on ± XNUMX/XNUMX. Sellesse kategooriasse kuuluvad kõik kvargid ja leptonid, sealhulgas neutriinod. Siiski on olemas spetsiaalne fermionide tüüp, mis seni eksisteerib vaid teoreetiliselt – Majorana fermion, mis on tema enda antiosake. Kui see oleks olemas, võib juhtuda midagi erilist... neutriinovaba kahekordne beeta lagunemine. Ja siin on võimalus eksperimenteerijatel, kes on pikka aega sellist tühimikku otsinud.

Kõigis vaadeldud protsessides, mis hõlmavad neutriinosid, on neil osakestel omadus, mida füüsikud nimetavad vasakukäelisuseks. Paremakäelised neutriinod, mis on standardmudeli kõige loomulikum jätk, pole kusagil näha. Kõigil teistel MS osakestel on paremakäeline versioon, kuid neutriinodel mitte. Miks? Rahvusvahelise füüsikute meeskonna, sealhulgas Krakowis asuva Poola Teaduste Akadeemia Tuumafüüsika Instituudi (IFJ PAN) uusim, äärmiselt põhjalik analüüs on seda teemat uurinud. Teadlased usuvad, et parempoolsete neutriinode jälgimise puudumine võib tõestada, et tegemist on Majorana fermionidega. Kui nad oleksid, siis on nende parempoolne versioon äärmiselt massiivne, mis selgitab tuvastamise raskust.

Kuid me ei tea ikka veel, kas neutriinod on ise antiosakesed. Me ei tea, kas nad saavad oma massi Higgsi bosoni väga nõrga sidumise tõttu või saavad nad selle mõne muu mehhanismi kaudu. Ja me ei tea, võib-olla on neutriino sektor palju keerulisem, kui me arvame, pimedas varitsevad steriilsed või rasked neutriinod.

Aatomid ja muud anomaaliad

Elementaarosakeste füüsikas on peale moodsate neutriinode ka teisi, vähemtuntud uurimisvaldkondi, kust võib läbi paista "uus füüsika". Näiteks teadlased on hiljuti välja pakkunud uut tüüpi subatomaarseid osakesi, et selgitada mõistatuslikkust lagunemine as (5), mesoni osakese erijuhtum, mis koosneb üks kvark i üks antiigimüüja. Kui kaooniosakesed lagunevad, läbib väike osa neist muutusi, mis üllatasid teadlasi. Selle lagunemise stiil võib viidata uut tüüpi osakesele või uuele füüsilisele jõule. See ei kuulu standardmudeli reguleerimisalasse.

Standardmudelis lünkade leidmiseks on rohkem katseid. Nende hulka kuulub g-2 müüoni otsimine. Peaaegu sada aastat tagasi ennustas füüsik Paul Dirac elektroni magnetmomenti, kasutades g - arvu, mis määrab osakese pöörlemisomadused. Seejärel näitasid mõõtmised, et "g" erineb veidi 2-st ning füüsikud hakkasid kasutama "g" ja 2 tegeliku väärtuse erinevust, et uurida subatomaarsete osakeste sisestruktuuri ja füüsikaseadusi üldiselt. 1959. aastal viis Šveitsis Genfis asuv CERN läbi esimese katse, mille käigus mõõdeti elektroniga seotud, kuid ebastabiilse ja elementaarosakesest 2 korda raskema subatomilise osakese g-207 väärtust, mida nimetatakse müüoniks.

New Yorgis asuv Brookhaveni riiklik labor alustas oma katset ja avaldas 2. aastal oma katse g-2004 tulemused. Mõõtmine ei vastanud standardmudelile. Katse ei kogunud aga statistiliseks analüüsiks piisavalt andmeid, et veenvalt tõestada, et mõõdetud väärtus oli tõepoolest erinev ja mitte ainult statistiline kõikumine. Teised uurimiskeskused viivad praegu g-2-ga uusi katseid läbi ja tõenäoliselt saame varsti ka tulemused teada.

On midagi intrigeerivamat kui see Kaoni anomaaliad i muuon. 2015. aastal näitas berüllium 8Be lagunemise eksperiment anomaaliat. Ungari teadlased kasutavad oma detektorit. Muide, nad aga avastasid või arvasid end avastavat, mis viitab viienda põhilise loodusjõu olemasolule.

Uuringu vastu hakkasid huvi tundma California ülikooli füüsikud. Nad pakkusid, et nähtus kutsus aatomi anomaalia, põhjustas täiesti uus osake, mis pidi kandma viiendat loodusjõudu. Seda nimetatakse X17-ks, kuna selle massiks arvatakse olevat ligi 17 miljonit elektronvolti. See on 30 korda suurem elektroni massist, kuid väiksem kui prootoni mass. Ja viis, kuidas X17 prootoniga käitub, on üks selle kummalisemaid omadusi – see tähendab, et see ei suhtle prootoniga üldse. Selle asemel suhtleb see negatiivselt laetud elektroni või neutroniga, millel pole üldse laengut. See muudab osakese X17 sobitamise meie praegusesse standardmudelisse keeruliseks. Bosoneid seostatakse jõududega. Gluoonid on seotud tugeva jõuga, bosonid nõrga jõuga ja footonid elektromagnetismiga. Gravitatsiooni jaoks on isegi hüpoteetiline boson, mida nimetatakse gravitoniks. Bosonina kannab X17 oma jõudu, nagu see, mis siiani on olnud meie jaoks mõistatus ja võiks olla.

Universum ja selle eelistatud suund?

Selle aasta aprillis ajakirjas Science Advances avaldatud artiklis teatasid Sydneys asuva New South Walesi ülikooli teadlased, et uued 13 miljardi valgusaasta kaugusel asuva kvasari kiirgava valguse mõõtmised kinnitavad varasemaid uuringuid, mis leidsid väikeseid erinevusi konstantses peenstruktuuris. universumist. Professor John Webb UNSW-st (6) selgitab, et peenstruktuuri konstant "on suurus, mida füüsikud kasutavad elektromagnetilise jõu mõõtmiseks." elektromagnetiline jõud hoiab elektrone ümber universumi iga aatomi tuumade ümber. Ilma selleta laguneks kogu aine laiali. Kuni viimase ajani peeti seda pidevaks jõuks ajas ja ruumis. Kuid oma uurimistöös viimase kahe aastakümne jooksul on professor Webb märganud anomaaliat tahkes peenstruktuuris, mille puhul elektromagnetiline jõud, mõõdetuna universumi ühes valitud suunas, näib alati olevat veidi erinev.

"" selgitab Webb. Vastuolud ei ilmnenud mitte Austraalia meeskonna mõõtmistes, vaid nende tulemuste võrdlemisel paljude teiste teiste teadlaste kvasarvalguse mõõtmistega.

"" ütleb professor Webb. "". Tema arvates näivad tulemused viitavat sellele, et universumis võib olla eelistatud suund. Teisisõnu oleks universumil mõnes mõttes dipoolne struktuur.

"" Ütleb teadlane märgatavate kõrvalekallete kohta.

See on veel üks asi: galaktikate, kvasarite, gaasipilvede ja planeetide juhusliku leviku asemel eluga, on universumil ühtäkki põhja- ja lõunapoolne vaste. Professor Webb on sellegipoolest valmis tunnistama, et teadlaste eri etappidel erinevate tehnoloogiate abil ja erinevatest kohtadest Maa peal tehtud mõõtmiste tulemused on tegelikult tohutu juhus.

Webb juhib tähelepanu sellele, et kui universumis on suundumus ja kui elektromagnetism osutub kosmose teatud piirkondades pisut erinevaks, tuleb enamiku kaasaegse füüsika taga peituvad kõige fundamentaalsemad kontseptsioonid uuesti läbi vaadata. "", räägib. Mudel põhineb Einsteini gravitatsiooniteoorial, mis selgesõnaliselt eeldab loodusseaduste püsivust. Ja kui mitte, siis ... mõte kogu füüsikahoone ümber pöörata on hingemattev.