Нова физика сија са многих места

Све могуће промене које бисмо желели да извршимо у Стандардном моделу физике (1) или општој релативности, наше две најбоље (иако некомпатибилне) теорије универзума, већ су веома ограничене. Другим речима, не можете много променити а да не поткопате целину.

Чињеница је да постоје и резултати и феномени који се не могу објаснити на основу нама познатих модела. Дакле, да ли треба да се потрудимо да све учинимо необјашњивим или недоследним по сваку цену у складу са постојећим теоријама, или да тражимо нове? Ово је једно од основних питања модерне физике.

Стандардни модел физике честица је успешно објаснио све познате и откривене интеракције између честица које су икада примећене. Универзум се састоји од кваркови, лептонов и мерни бозони, који преносе три од четири фундаменталне силе у природи и дају честицама њихову масу мировања. Постоји и општа теорија релативности, наша, нажалост, не квантна теорија гравитације, која описује однос између простора-времена, материје и енергије у универзуму.

Тешкоћа превазилажења ове две теорије је у томе што ако покушате да их промените увођењем нових елемената, концепата и количина, добићете резултате који су у супротности са мерењима и запажањима која већ имамо. Такође је вредно запамтити да ако желите да изађете изван нашег тренутног научног оквира, терет доказивања је огроман. С друге стране, тешко је не очекивати толико од некога ко поткопава моделе испробане деценијама.

Пред таквим захтевима, није изненађујуће што ретко ко покушава да у потпуности оспори постојећу парадигму у физици. А ако и јесте, уопште се не схвата озбиљно, јер брзо наиђе на једноставне провере. Дакле, ако видимо потенцијалне рупе, онда су то само рефлектори, који сигнализирају да негде нешто сија, али није јасно да ли се тамо уопште вреди ићи.

Позната физика не може да се носи са универзумом

Примери светлуцања овог „потпуно новог и другачијег“? Па, на пример, запажања о стопи трзања, која изгледају неусаглашена са тврдњом да је Универзум испуњен само честицама Стандардног модела и да се повинује општој теорији релативности. Знамо да појединачни извори гравитације, галаксије, јата галаксија, па чак и велика космичка мрежа, можда нису довољни да објасне овај феномен. Знамо да, иако Стандардни модел каже да материју и антиматерију треба створити и уништити у једнаким количинама, живимо у универзуму који се састоји углавном од материје са малом количином антиматерије. Другим речима, видимо да „позната физика“ не може да објасни све што видимо у универзуму.

Многи експерименти су дали неочекиване резултате који би, ако се тестирају на вишем нивоу, могли бити револуционарни. Чак и такозвана атомска аномалија која указује на постојање честица може бити експериментална грешка, али може бити и знак да се иде даље од Стандардног модела. Различите методе мерења универзума дају различите вредности за брзину његовог ширења - проблем који смо детаљно разматрали у једном од недавних издања МТ-а.

Међутим, ниједна од ових аномалија не даје довољно убедљиве резултате да би се сматрала неоспорним знаком нове физике. Било шта или све ово може једноставно бити статистичка флуктуација или погрешно калибрисан инструмент. Многи од њих могу указивати на нову физику, али се исто тако лако могу објаснити коришћењем познатих честица и феномена у контексту опште теорије релативности и Стандардног модела.

Планирамо да експериментишемо, надајући се јаснијим резултатима и препорукама. Можда ћемо ускоро видети да ли тамна енергија има константну вредност. На основу планираних студија галаксија Опсерваторије Вера Рубин и података о удаљеним суперновама који ће бити доступни у будућности. телескоп Ненси Грејс, раније ВФИРСТ, морамо да сазнамо да ли тамна енергија еволуира са временом до 1%. Ако је тако, онда ће наш „стандардни“ космолошки модел морати да се промени. Могуће је да ће нас свемирска ласерска интерферометарска антена (ЛИСА) у плану такође изненадити. Укратко, рачунамо на посматрачка возила и експерименте које планирамо.

Такође још увек радимо у области физике честица, надајући се да ћемо пронаћи феномене ван Модела, као што је тачније мерење магнетних момената електрона и миона – ако се не слажу, појављује се нова физика. Радимо на томе да откријемо како они флуктуирају неутрино – и овде сија нова физика. А ако направимо прецизан електрон-позитронски сударач, кружни или линеарни (2), можемо открити ствари изван стандардног модела које ЛХЦ још не може да открије. У свету физике одавно се предлаже већа верзија ЛХЦ-а са обимом до 100 км. То би дало веће енергије судара, што би, према многим физичарима, коначно сигнализирало нове појаве. Међутим, реч је о изузетно скупој инвестицији, а изградња гиганта само по принципу – „хајде да га изградимо па да видимо шта ће нам показати” изазива много недоумица.

2. Линеарни лептонски колајдер – визуелизација

Постоје две врсте приступа проблемима у физичкој науци. Први је сложен приступ, који се састоји у ужем дизајну експеримента или опсерваторије за решавање одређеног проблема. Други приступ се назива методом грубе силе.који развија универзални експеримент или опсерваторију који помера границе како би истражио универзум на потпуно нов начин од наших претходних приступа. Први је боље оријентисан у Стандардном моделу. Други вам омогућава да пронађете трагове нечег више, али, нажалост, ово нешто није тачно дефинисано. Дакле, обе методе имају своје недостатке.

Потражите такозвану теорију свега (ТУТ), свети грал физике, треба ставити у другу категорију, јер се најчешће своди на проналажење све виших енергија (3), на којима силе природа се на крају споји у једну интеракцију.

3. Енергије потребне за хипотетичко уједињење интеракција

Нисфорн неутрино

У последње време наука се све више фокусира на интересантније области, као што је истраживање неутрина, о чему смо недавно објавили опширан извештај у МТ. У фебруару 2020, Астропхисицал Јоурнал је објавио публикацију о открићу високоенергетских неутрина непознатог порекла на Антарктику. Поред добро познатог експеримента, истраживање је спроведено и на леденом континенту под кодним именом АНИТА (), које се састоји у ослобађању балона са сензором Радио таласи.

Оба и АНИТА су дизајнирани да траже радио таласе од високоенергетских неутрина који се сударају са чврстом материјом која чини лед. Ави Лоеб, председник Одељења за астрономију Харварда, објаснио је на веб страници Салона: „Догађаји које је открила АНИТА свакако изгледају као аномалија јер се не могу објаснити као неутрини из астрофизичких извора. (...) То би могла бити нека врста честице која слабије реагује од неутрина са обичном материјом. Сумњамо да такве честице постоје као тамна материја. Али шта чини АНИТА догађаје тако енергичним?

Неутрини су једине познате честице које крше стандардни модел. Према Стандардном моделу елементарних честица, морамо имати три типа неутрина (електронски, мионски и тау) и три врсте антинеутрина, а након формирања морају бити стабилни и непромењени по својим својствима. Од 60-их, када су се појавили први прорачуни и мерења неутрина које производи Сунце, схватили смо да постоји проблем. Знали смо у колико је електронских неутрина настало соларно језгро. Али када смо измерили колико је стигло, видели смо само трећину предвиђеног броја.

Или нешто није у реду са нашим детекторима, или нешто није у реду са нашим моделом Сунца, или нешто није у реду са самим неутринима. Експерименти на реакторима су брзо оповргли идеју да нешто није у реду са нашим детекторима (4). Радили су како се очекивало и њихов учинак је веома добро оцењен. Неутрина које смо открили регистровани су сразмерно броју пристиглих неутрина. Деценијама су многи астрономи тврдили да је наш соларни модел погрешан.

4. Слике неутрина догађаја у Черенковљевом зрачењу са детектора Супер Камиоканде

Наравно, постојала је још једна егзотична могућност која би, ако би била истинита, променила наше разумевање универзума у ​​односу на оно што је предвиђао Стандардни модел. Идеја је да три типа неутрина које познајемо заправо имају масу, не нагнути, и да могу да се мешају (флуктуирају) да промене укусе ако имају довољно енергије. Ако се неутрино електронски покрене, може се променити на путу до мион i таоновеали то је могуће само када има масу. Научници су забринути због проблема десног и леворуког неутрина. Јер ако га не можете разликовати, не можете разликовати да ли је честица или античестица.

Може ли неутрино бити сопствена античестица? Не према уобичајеном Стандардном моделу. Фермиониуопште не би требало да буду сопствене античестице. Фермион је свака честица са ротацијом од ± ½. Ова категорија укључује све кваркове и лептоне, укључујући неутрине. Међутим, постоји посебна врста фермиона, која до сада постоји само у теорији - Мајоранов фермион, који је сопствена античестица. Да постоји, могло би се догодити нешто посебно... без неутрина двоструки бета распад. И ево шансе за експериментаторе који дуго траже такав јаз.

У свим посматраним процесима који укључују неутрине, ове честице показују особину коју физичари називају леворукост. Десноруки неутрини, који су најприродније продужетак Стандардног модела, нигде се не виде. Све остале МС честице имају десну верзију, али неутрини немају. Зашто? Најновија, изузетно свеобухватна анализа међународног тима физичара, укључујући Институт за нуклеарну физику Пољске академије наука (ИФЈ ПАН) у Кракову, урадила је истраживање о овом питању. Научници верују да би недостатак посматрања десних неутрина могао да докаже да су они Мајорани фермиони. Ако јесу, онда је њихова десна верзија изузетно масивна, што објашњава потешкоћу у откривању.

Ипак, још увек не знамо да ли су неутрини сами по себи античестице. Не знамо да ли своју масу добијају из веома слабог везивања Хигсовог бозона, или је добијају преко неког другог механизма. И не знамо, можда је сектор неутрина много сложенији него што мислимо, са стерилним или тешким неутринима који вребају у мраку.

Атоми и друге аномалије

У физици елементарних честица, поред модерних неутрина, постоје и друге, мање познате области истраживања из којих „нова физика“ може да заблиста. Научници су, на пример, недавно предложили нову врсту субатомских честица да објасне загонетну каон пропадање (5), посебан случај мезонске честице која се састоји од један кварк i један трговац старинама. Када се честице каона распадну, мали део њих пролази кроз промене које су изненадиле научнике. Стил овог распада може указивати на нову врсту честице или нову физичку силу на делу. Ово је ван оквира Стандардног модела.

Постоји још експеримената за проналажење празнина у стандардном моделу. Ово укључује потрагу за г-2 мионом. Пре скоро сто година, физичар Пол Дирак је предвидео магнетни момент електрона користећи г, број који одређује спин својства честице. Затим су мерења показала да се „г” мало разликује од 2, а физичари су почели да користе разлику између стварне вредности „г” и 2 за проучавање унутрашње структуре субатомских честица и закона физике уопште. Године 1959. ЦЕРН у Женеви, Швајцарска, извео је први експеримент који је измерио вредност г-2 субатомске честице зване мион, везане за електрон, али нестабилне и 207 пута теже од елементарне честице.

Национална лабораторија Брукхејвен у Њујорку започела је сопствени експеримент и објавила резултате свог г-2 експеримента 2004. године. Мерење није било оно што је предвиђао Стандардни модел. Међутим, експеримент није прикупио довољно података за статистичку анализу да би се убедљиво доказало да је измерена вредност заиста другачија, а не само статистичка флуктуација. Други истраживачки центри сада спроводе нове експерименте са г-2, а резултате ћемо вероватно знати ускоро.

Има нешто интригантније од овога Каонске аномалије i мион. 2015. године експеримент распадања берилијума 8Бе показао је аномалију. Научници у Мађарској користе свој детектор. Међутим, узгред, открили су или мислили да су открили, што сугерише постојање пете фундаменталне силе природе.

За студију су се заинтересовали физичари са Универзитета у Калифорнији. Предложили су да је феномен тзв атомска аномалија, изазвана је потпуно новом честицом, која је требало да носи пету силу природе. Зове се Кс17 јер се сматра да му одговарајућа маса износи скоро 17 милиона електрон-волти. Ово је 30 пута више од масе електрона, али мање од масе протона. А начин на који се Кс17 понаша са протоном је једна од његових најчуднијих карактеристика - то јест, он уопште не ступа у интеракцију са протоном. Уместо тога, он ступа у интеракцију са негативно наелектрисаним електроном или неутроном, који уопште нема наелектрисање. Ово отежава уклапање честице Кс17 у наш тренутни стандардни модел. Босони су повезани са силама. Глуони су повезани са јаком силом, бозони са слабом силом, а фотони са електромагнетизмом. Постоји чак и хипотетички бозон за гравитацију који се зове гравитон. Као бозон, Кс17 ће носити сопствену силу, као што је она која је до сада за нас остала мистерија и могла би бити.

Универзум и његов преферирани правац?

У раду објављеном у априлу у часопису Сциенце Адванцес, научници са Универзитета Новог Јужног Велса у Сиднеју објавили су да нова мерења светлости коју емитује квазар удаљен 13 милијарди светлосних година потврђују претходне студије које су откриле мале варијације у финој константној структури. универзума. Професор Џон Веб са УНСВ (6) објашњава да је константа фине структуре „величина коју физичари користе као меру електромагнетне силе“. електромагнетна сила одржава електроне око језгара у сваком атому у универзуму. Без тога би се сва материја распала. До недавно се сматрало сталном силом у времену и простору. Али у свом истраживању током протекле две деценије, професор Веб је приметио аномалију у чврстој финој структури у којој се чини да је електромагнетна сила, мерена у једном изабраном правцу у универзуму, увек мало другачија.

"" објашњава Веб. Недоследности се нису појавиле у мерењима аустралијског тима, већ у поређењу њихових резултата са многим другим мерењима светлости квазара од стране других научника.

", каже професор Веб. "". По његовом мишљењу, чини се да резултати сугеришу да можда постоји преферирани правац у универзуму. Другим речима, универзум би у неком смислу имао диполну структуру.

"" Каже научник о обележеним аномалијама.

Ово је још једна ствар: уместо онога што се мислило да је насумично ширење галаксија, квазара, гасних облака и планета са животом, универзум одједном има северни и јужни пандан. Професор Веб је ипак спреман да призна да су резултати мерења научника спроведених у различитим фазама коришћењем различитих технологија и са различитих места на Земљи заправо огромна случајност.

Веб истиче да ако постоји усмереност у универзуму и ако се испостави да је електромагнетизам мало другачији у одређеним деловима космоса, најосновније концепте који стоје иза већег дела модерне физике треба поново размотрити. "", говори. Модел је заснован на Ајнштајновој теорији гравитације која експлицитно претпоставља постојаност закона природе. А ако не, онда ... помисао да се преокрене читава грађевина физике одузима дах.