Új fizika sok helyről sugárzik be

Bármilyen lehetséges változtatás, amelyet a fizika standard modelljében (1) vagy az általános relativitáselméletben, a világegyetem két legjobb (bár összeegyeztethetetlen) elméletében szeretnénk végrehajtani, már nagyon korlátozottak. Más szóval, nem sokat változtathatsz anélkül, hogy aláásnád az egészet.

Tény, hogy vannak olyan eredmények, jelenségek is, amelyeket az általunk ismert modellek alapján nem lehet megmagyarázni. Tehát mindent meg kell tennünk annak érdekében, hogy bármi áron mindent megmagyarázhatatlannak vagy következetlennek tegyünk a meglévő elméletekkel összhangban, vagy újakat kell keresnünk? Ez a modern fizika egyik alapvető kérdése.

A részecskefizika standard modellje sikeresen megmagyarázta a részecskék közötti összes ismert és felfedezett kölcsönhatást, amelyet valaha is megfigyeltek. Az univerzum abból áll kvarkok, leptonov és a mérőbozonokat, amelyek a természetben lévő négy alapvető erő közül hármat továbbítanak, és a részecskék nyugalmi tömegét adják. Létezik általános relativitáselmélet is, a mi sajnos nem kvantum gravitációs elméletünk, amely leírja a téridő, az anyag és az energia kapcsolatát az univerzumban.

E két elmélet túllépésének nehézsége az, hogy ha megpróbálja megváltoztatni őket új elemek, fogalmak és mennyiségek bevezetésével, akkor olyan eredményeket kap, amelyek ellentmondanak a már meglévő méréseknek és megfigyeléseknek. Azt is érdemes megjegyezni, hogy ha túl akarunk lépni jelenlegi tudományos kereteinken, akkor óriási a bizonyítási teher. Másrészt nehéz nem várni ennyit attól, aki aláássa az évtizedek óta kipróbált modelleket.

Ilyen igényekkel szemben nem meglepő, hogy szinte senki sem próbálja teljesen megkérdőjelezni a fizika létező paradigmáját. És ha mégis, akkor egyáltalán nem veszik komolyan, mert hamar megbotlik az egyszerű ellenőrzéseken. Tehát, ha potenciális lyukakat látunk, akkor ezek csak reflektorok, jelezve, hogy valahol valami fénylik, de nem világos, hogy érdemes-e oda egyáltalán elmenni.

Az ismert fizika nem tudja kezelni az univerzumot

Példák ennek a „teljesen új és más” csillogására? Nos, például a visszarúgási sebességre vonatkozó megfigyelések, amelyek látszólag nincsenek összhangban azzal az állítással, hogy az Univerzum csak a Standard Modell részecskéivel van tele, és engedelmeskedik az általános relativitáselméletnek. Tudjuk, hogy az egyes gravitációs források, galaxisok, galaxishalmazok és még a nagy kozmikus háló sem elegendőek a jelenség magyarázatához. Tudjuk, hogy bár a Standard Modell kimondja, hogy az anyagot és az antianyagot egyenlő mennyiségben kell létrehozni és elpusztítani, egy olyan univerzumban élünk, amely többnyire anyagból áll, kis mennyiségű antianyaggal. Más szóval azt látjuk, hogy az „ismert fizika” nem tud mindent megmagyarázni, amit az univerzumban látunk.

Számos kísérlet nem várt eredményeket hozott, amelyek magasabb szinten történő tesztelése esetén forradalmiak lehetnek. Még a részecskék létezésére utaló, úgynevezett atomi anomália is lehet kísérleti hiba, de a Standard Modellen túllépés jele is lehet. Az univerzum különböző mérési módszerei különböző értékeket adnak a tágulási sebességére - ezt a problémát részletesen megvizsgáltuk az MT egyik legutóbbi számában.

Azonban ezen anomáliák egyike sem ad kellően meggyőző eredményt ahhoz, hogy az új fizika vitathatatlan jelének lehessen tekinteni. Ezek bármelyike ​​vagy mindegyike egyszerűen statisztikai ingadozás vagy rosszul kalibrált műszer lehet. Sokan közülük új fizikára utalhatnak, de ugyanolyan könnyen megmagyarázhatók ismert részecskék és jelenségek segítségével az általános relativitáselmélet és a Standard Modell összefüggésében.

Kísérletezést tervezünk, világosabb eredmények és ajánlások reményében. Hamarosan láthatjuk, hogy a sötét energiának állandó értéke van-e. A Vera Rubin Obszervatórium tervezett galaxistanulmányai és a távoli szupernóvák jövőbeni elérhetővé tétele alapján. nancy grace távcső, korábban WFIRST, meg kell találnunk, hogy a sötét energia idővel 1%-on belül fejlődik-e. Ha igen, akkor a "standard" kozmológiai modellünket meg kell változtatni. Elképzelhető, hogy az űrlézeres interferométer antenna (LISA) a terv szerint is tartogat meglepetéseket. Röviden: számítunk az általunk tervezett megfigyelőjárművekre és kísérletekre.

Továbbra is dolgozunk a részecskefizika területén, remélve, hogy a Modellen kívüli jelenségekre is rátalálunk, például az elektron és a müon mágneses momentumainak pontosabb mérésére – ha nem értenek egyet, új fizika jelenik meg. Dolgozunk azon, hogy kiderítsük, hogyan ingadoznak neutrino – itt is új fizika ragyog. És ha építünk egy pontos elektron-pozitron ütköztetőt, körkörös vagy lineáris (2), akkor a Standard Modellen túl olyan dolgokat is észlelhetünk, amelyeket az LHC még nem képes észlelni. A fizika világában már régóta javasolták az LHC nagyobb, akár 100 km-es kerületű változatát. Ez nagyobb ütközési energiákat adna, ami sok fizikus szerint végre új jelenségeket jelezne. Ez azonban rendkívül költséges beruházás, és egy óriás építése csak az elv alapján – "építsd meg és nézzük, mit fog mutatni" - sok kétséget vet fel.

2. Lineáris leptonütköztető - vizualizáció

A fizikai tudomány problémáinak kétféle megközelítése létezik. Az első egy komplex megközelítés, amely egy kísérlet vagy egy adott probléma megoldására szolgáló obszervatórium szűk körű kialakításából áll. A második megközelítést nyers erő módszernek nevezik.aki egy univerzális, határokat feszegető kísérletet vagy obszervatóriumot fejleszt ki az univerzum korábbi megközelítéseinél teljesen újszerű feltárására. Az első jobban orientált a standard modellben. A második lehetővé teszi valami több nyomának megtalálását, de sajnos ez a valami nincs pontosan meghatározva. Így mindkét módszernek megvannak a maga hátrányai.

Keresse az úgynevezett Mindennek Elméletét (TUT), a fizika szent grálját, amelyet a második kategóriába kell sorolni, mivel leggyakrabban az egyre magasabb energiák (3) megtalálásán múlik, amelyeknél az erők a természet végül egyetlen interakcióvá egyesül.

3. A kölcsönhatások hipotetikus egységesítéséhez szükséges energiák

neutrínó Nisforn

Az utóbbi időben a tudomány egyre inkább az érdekesebb területekre koncentrál, például a neutrínókutatásra, amelyről a közelmúltban jelentettünk meg egy kiterjedt jelentést az MT-ben. 2020 februárjában az Astrophysical Journal publikációt jelentetett meg az Antarktiszon történt ismeretlen eredetű, nagy energiájú neutrínók felfedezéséről. A jól ismert kísérlet mellett a fagyos kontinensen ANITA ( kódnéven) kutatásokat is végeztek, amelyek egy érzékelővel ellátott léggömb felszabadításából álltak. rádióhullámok.

Mind az ANITA, mind az ANITA célja a jeget alkotó szilárd anyaggal ütköző nagyenergiájú neutrínók rádióhullámainak keresése volt. Avi Loeb, a Harvard Csillagászati ​​Tanszékének elnöke a Salon honlapján kifejtette: „Az ANITA által észlelt események minden bizonnyal anomáliának tűnnek, mert nem magyarázhatók asztrofizikai forrásokból származó neutrínókkal. (...) Valamiféle részecske lehet, amely a neutrínónál gyengébb kölcsönhatásba lép a közönséges anyaggal. Gyanítjuk, hogy az ilyen részecskék sötét anyagként léteznek. De mitől olyan energikusak az ANITA rendezvényei?

A neutrínók az egyetlen ismert részecskék, amelyek megsértik a szabványos modellt. Az elemi részecskék standard modellje szerint háromféle neutrínóval (elektronikus, müon és tau) és háromféle antineutrínóval kell rendelkeznünk, és kialakulásuk után stabilnak, tulajdonságaikban változatlannak kell lenniük. Az 60-as évek óta, amikor megjelentek a Nap által termelt neutrínók első számításai és mérései, rájöttünk, hogy probléma van. Tudtuk, hogy hány elektronneutrínóban keletkezett napelemmag. De amikor megmértük, hányan érkeztek, a jósolt számnak csak a harmadát láttuk.

Vagy valami nem stimmel a detektorainkkal, vagy a Nap modellünkkel, vagy magukkal a neutrínókkal. A reaktorkísérletek gyorsan megcáfolták azt az elképzelést, hogy valami nincs rendben a detektorainkkal (4). Az elvárásoknak megfelelően dolgoztak, teljesítményüket nagyon jól értékelték. Az általunk észlelt neutrínókat az érkező neutrínók számával arányosan regisztráltuk. Évtizedek óta sok csillagász érvelt amellett, hogy napmodellünk rossz.

4. Képek a neutrínó eseményekről a Cserenkov-sugárzásban a Super Kamiokande detektorból

Természetesen volt egy másik egzotikus lehetőség is, amely, ha igaz, megváltoztatná az univerzumról alkotott elképzelésünket a Standard Modell által megjósolthoz képest. Az ötlet az, hogy az általunk ismert három neutrínótípusnak valójában tömege van, nem sovány, és hogy ha van elég energiájuk, keverhetik (ingadozhatják) az ízek megváltoztatásához. Ha a neutrínót elektronikusan indítják el, az útközben megváltozhat müon i taonovde ez csak akkor lehetséges, ha van tömege. A tudósokat aggasztja a jobb- és balkezes neutrínók problémája. Mert ha nem tudod megkülönböztetni, akkor nem tudod megkülönböztetni, hogy részecske-e vagy antirészecske.

Lehet-e a neutrínó a saját antirészecskéje? Nem a szokásos standard modell szerint. fermionokáltalában nem szabad a saját antirészecskéknek lenniük. Fermion bármely részecske, amelynek forgása ± XNUMX/XNUMX. Ebbe a kategóriába tartozik az összes kvark és lepton, beleértve a neutrínókat is. Létezik azonban a fermionoknak egy speciális típusa, amely eddig csak elméletben létezik – a Majorana fermion, amely a saját antirészecskéje. Ha létezne, valami különleges történhetett... neutrínó mentes kettős béta bomlás. És itt a lehetőség azoknak a kísérletezőknek, akik régóta keresnek egy ilyen rést.

Minden megfigyelt folyamatban, amelyben neutrínók is részt vesznek, ezek a részecskék olyan tulajdonságot mutatnak, amelyet a fizikusok balkezességnek neveznek. A jobbkezes neutrínók, amelyek a Standard Modell legtermészetesebb kiterjesztései, sehol sem látszanak. Az összes többi MS részecskének van jobbkezes változata, de a neutrínóknak nincs. Miért? Egy nemzetközi fizikuscsoport – köztük a krakkói Lengyel Tudományos Akadémia (IFJ PAN) Nukleáris Fizikai Intézete – legújabb, rendkívül átfogó elemzése kutatta ezt a kérdést. A tudósok úgy vélik, hogy a jobbkezes neutrínók megfigyelésének hiánya bebizonyíthatja, hogy Majorana fermionokról van szó. Ha igen, akkor a jobb oldali változatuk rendkívül masszív, ami megmagyarázza az észlelés nehézségét.

Még mindig nem tudjuk, hogy a neutrínók maguk is antirészecskék-e. Nem tudjuk, hogy tömegüket a Higgs-bozon nagyon gyenge kötődéséből nyerik-e, vagy más mechanizmuson keresztül jutnak hozzá. És nem tudjuk, talán a neutrínó szektor sokkal összetettebb, mint gondolnánk, steril vagy nehéz neutrínók lapulnak a sötétben.

Atomok és egyéb anomáliák

Az elemi részecskefizikában a divatos neutrínók mellett vannak más, kevésbé ismert kutatási területek, ahonnan az "új fizika" kivilágíthat. A tudósok például a közelmúltban egy új típusú szubatomi részecskét javasoltak a rejtély megmagyarázására szétesés mint (5), a mezonrészecske speciális esete, amely a egy kvark i egy régiségkereskedő. Amikor a kaon részecskék lebomlanak, egy kis részük olyan változásokon megy keresztül, amelyek meglepték a tudósokat. Ennek a bomlásnak a stílusa egy új típusú részecskére vagy egy új fizikai erőre utalhat. Ez kívül esik a standard modell hatókörén.

További kísérletek vannak a szabványos modell hiányosságainak feltárására. Ezek közé tartozik a g-2 müon keresése. Közel száz évvel ezelőtt Paul Dirac fizikus megjósolta egy elektron mágneses momentumát g segítségével, amely szám határozza meg a részecske spin tulajdonságait. Aztán a mérések kimutatták, hogy a "g" kissé eltér 2-től, és a fizikusok a "g" és a 2 tényleges értéke közötti különbséget kezdték használni a szubatomi részecskék belső szerkezetének és általában a fizika törvényeinek tanulmányozására. A svájci genfi ​​CERN 1959-ben végezte el az első kísérletet, amely egy elektronhoz kötött, de instabil és az elemi részecskénél 2-szer nehezebb müon nevű szubatomi részecske g-207 értékét mérte.

A New York-i Brookhaven National Laboratory elindította saját kísérletét, és 2-ben közzétette g-2004 kísérletének eredményeit. A mérés nem az volt, amit a Standard Modell megjósolt. A kísérlet azonban nem gyűjtött elegendő adatot a statisztikai elemzéshez ahhoz, hogy meggyőzően bizonyíthassa, hogy a mért érték valóban más, és nem csak statisztikai ingadozás. Más kutatóközpontok most végeznek új kísérleteket a g-2-vel, és valószínűleg hamarosan megtudjuk az eredményeket.

Van ennél érdekesebb is Kaon anomáliák i müon. 2015-ben a berillium 8Be bomlásával kapcsolatos kísérlet anomáliát mutatott ki. A magyarországi tudósok az ő detektorukat használják. Mellesleg azonban felfedezték vagy felfedezni vélték, ami egy ötödik alapvető természeti erő létezésére utal.

A Kaliforniai Egyetem fizikusai érdeklődtek a tanulmány iránt. Azt javasolták, hogy a jelenség ún atomi anomália, egy teljesen új részecske okozta, aminek a természet ötödik erejét kellett volna hordoznia. Azért hívják X17-nek, mert a megfelelő tömege közel 17 millió elektronvolt. Ez az elektron tömegének harmincszorosa, de kisebb, mint a proton tömege. És ahogy az X30 viselkedik a protonnal, az az egyik legfurcsább tulajdonsága – vagyis egyáltalán nem lép kölcsönhatásba protonnal. Ehelyett egy negatív töltésű elektronnal vagy neutronnal lép kölcsönhatásba, amelynek nincs töltése. Ez megnehezíti az X17 részecske beillesztését jelenlegi standard modellünkbe. A bozonokat erőkkel kapcsolják össze. A gluonokat az erős erővel, a bozonokat a gyenge erővel, a fotonokat az elektromágnesességgel társítják. Még egy hipotetikus bozon is létezik a gravitáció számára, amelyet gravitonnak neveznek. Bozonként az X17 olyan saját erőt fog hordozni, mint ami eddig rejtély maradt számunkra, és az is lehetne.

Az univerzum és annak preferált iránya?

A Science Advances folyóiratban idén áprilisban megjelent cikkben a Sydney-i Új-Dél-Wales Egyetem tudósai arról számoltak be, hogy a 13 milliárd fényévnyire lévő kvazár által kibocsátott fény új mérései megerősítik azokat a korábbi tanulmányokat, amelyek kis eltéréseket találtak a finom állandó szerkezetben. az univerzumról. John Webb professzor az UNSW-ből (6) kifejti, hogy a finomszerkezeti állandó "olyan mennyiség, amelyet a fizikusok az elektromágneses erő mértékeként használnak". elektromágneses erő az univerzum minden atomjában elektronokat tart fenn az atommagok körül. Enélkül minden anyag szétesne. Egészen a közelmúltig állandó erőnek számított időben és térben. Webb professzor az elmúlt két évtizedben végzett kutatásai során azonban észrevett egy anomáliát a szilárd finom szerkezetben, amelyben az elektromágneses erő, amelyet az univerzum egy kiválasztott irányában mérnek, mindig kissé eltérőnek tűnik.

"" magyarázza Webb. Az ellentmondások nem az ausztrál csapat méréseiben mutatkoztak meg, hanem abban, hogy eredményeiket összehasonlították más tudósok kvazárfény-méréseivel.

"" mondja Webb professzor. "". Véleménye szerint az eredmények azt sugallják, hogy lehet egy preferált irány az univerzumban. Más szavakkal, az univerzumnak bizonyos értelemben dipólus szerkezete lenne.

"" Mondja a tudós a markáns anomáliákról.

Ez még egy dolog: ahelyett, hogy a galaxisok, kvazárok, gázfelhők és élettel teli bolygók véletlenszerű szétterülésének hitték, az univerzumnak hirtelen északi és déli megfelelője van. Webb professzor mindazonáltal kész beismerni, hogy a tudósok különböző szakaszokban, különböző technológiával és a Föld különböző helyeiről végzett mérések eredményei valójában óriási egybeesés.

Webb rámutat arra, hogy ha az univerzumban van irányultság, és ha kiderül, hogy az elektromágnesesség kissé eltér a kozmosz bizonyos régióiban, akkor a modern fizika nagy része mögött meghúzódó legalapvetőbb fogalmakat kell újragondolni. "", beszél. A modell Einstein gravitációs elméletén alapul, amely kifejezetten feltételezi a természeti törvények állandóságát. És ha nem, akkor... lélegzetelállító a gondolat, hogy a fizika egész építményét megfordítjuk.