Nowa fizyka prześwituje z wielu miejsc

Wszelkie możliwe zmiany, które chcielibyśmy wprowadzić w Modelu Standardowym fizyki (1) lub ogólnej teorii względności, naszych dwóch najlepszych (choć niekompatybilnych) teoriach wszechświata, są już bardzo ograniczone. Innymi słowy, nie można wiele zmienić, nie podważając całości.

Faktem jest, że są też wyniki i zjawiska, których nie da się wyjaśnić na podstawie znanych nam modeli. Czy zatem powinniśmy robić wszystko, co w naszej mocy, aby za wszelką cenę uczynić wszystko niewytłumaczalnym lub niespójnym, zgodnym z istniejącymi teoriami, czy też powinniśmy szukać nowych? Jest to jedno z podstawowych pytań współczesnej fizyki.

Model standardowy fizyki cząstek elementarnych z powodzeniem wyjaśnił wszystkie znane i odkryte interakcje między cząstkami, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Wszechświat składa się z kwarki, leptonow i bozony pomiarowe, które przenoszą trzy z czterech podstawowych sił w przyrodzie i nadają cząstkom ich masę spoczynkową. Istnieje również ogólna teoria względności, nasza niestety niekwantowa teoria grawitacji, która opisuje związek między czasoprzestrzenią, materią i energią we wszechświecie.

Trudność wyjścia poza te dwie teorie polega na tym, że jeśli spróbujesz je zmienić, wprowadzając nowe elementy, pojęcia i wielkości, uzyskasz wyniki sprzeczne z pomiarami i obserwacjami, które już mamy. Warto również pamiętać, że jeśli chcesz wyjść poza nasze obecne ramy naukowe, ciężar dowodu jest ogromny. Z drugiej strony trudno nie oczekiwać tak wiele od kogoś, kto podważa sprawdzone przez dziesięciolecia modele.

W obliczu takich żądań nie dziwi fakt, że mało kto próbuje całkowicie zakwestionować istniejący paradygmat w fizyce. A jeśli tak, to w ogóle nie jest traktowany poważnie, ponieważ szybko natrafia na proste kontrole. Jeśli więc widzimy potencjalne dziury, to są to tylko reflektory, sygnalizujące, że coś gdzieś się świeci, ale nie wiadomo, czy w ogóle warto tam jechać.

Znana fizyka nie radzi sobie z wszechświatem

Przykłady blasku tego „całkowicie nowego i innego”? Cóż, na przykład obserwacje szybkości odrzutu, które wydają się niespójne ze stwierdzeniem, że Wszechświat jest wypełniony tylko cząstkami Modelu Standardowego i podlega ogólnej teorii względności. Wiemy, że pojedyncze źródła grawitacji, galaktyki, gromady galaktyk, a nawet wielka kosmiczna sieć być może nie wystarczą do wyjaśnienia tego zjawiska. Wiemy, że chociaż Model Standardowy stwierdza, że ​​materia i antymateria powinny być tworzone i niszczone w równych ilościach, żyjemy we wszechświecie złożonym głównie z materii z niewielką ilością antymaterii. Innymi słowy, widzimy, że „znana fizyka” nie może wyjaśnić wszystkiego, co widzimy we wszechświecie.

Wiele eksperymentów przyniosło nieoczekiwane wyniki, które, jeśli zostaną przetestowane na wyższym poziomie, mogą okazać się rewolucyjne. Nawet tak zwana Anomalia Atomowa wskazująca na istnienie cząstek może być błędem eksperymentalnym, ale może też być oznaką wyjścia poza Model Standardowy. Różne metody mierzenia wszechświata dają różne wartości tempa jego ekspansji – problem, który szczegółowo rozważaliśmy w jednym z ostatnich numerów MT.

Jednak żadna z tych anomalii nie daje wystarczająco przekonujących wyników, aby można je było uznać za niepodważalny znak nowej fizyki. Niektóre lub wszystkie z nich mogą być po prostu fluktuacjami statystycznymi lub nieprawidłowo skalibrowanym instrumentem. Wiele z nich może wskazywać na nową fizykę, ale równie łatwo można je wyjaśnić za pomocą znanych cząstek i zjawisk w kontekście ogólnej teorii względności i Modelu Standardowego.

Planujemy eksperymentować, mając nadzieję na wyraźniejsze wyniki i rekomendacje. Być może wkrótce przekonamy się, czy ciemna energia ma stałą wartość. Na podstawie planowanych badań galaktyk przeprowadzonych przez Obserwatorium Vera Rubin oraz danych dotyczących odległych supernowych, które zostaną udostępnione w przyszłości. Teleskop Nancy Grace, poprzednio WFIRST, musimy dowiedzieć się, czy ciemna energia ewoluuje w czasie z dokładnością do 1%. Jeśli tak, to nasz „standardowy” model kosmologiczny będzie musiał zostać zmieniony. Niewykluczone, że planowo kosmiczna laserowa antena interferometru (LISA) również nas zaskoczy. Krótko mówiąc, liczymy na pojazdy obserwacyjne i eksperymenty, które planujemy.

Nadal pracujemy też w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych, mając nadzieję na znalezienie zjawisk poza Modelem, takich jak dokładniejszy pomiar momentów magnetycznych elektronu i mionu – jeśli się nie zgadzają, pojawia się nowa fizyka. Pracujemy nad ustaleniem, jak się zmieniają neutrina – tutaj również prześwituje nowa fizyka. A jeśli zbudujemy dokładny zderzacz elektronów i pozytonów, kołowy lub liniowy (2), możemy wykryć rzeczy wykraczające poza Model Standardowy, których LHC jeszcze nie może wykryć. W świecie fizyki od dawna proponowano większą wersję LHC o obwodzie do 100 km. Dałoby to wyższe energie zderzeń, co zdaniem wielu fizyków ostatecznie zasygnalizowałoby nowe zjawiska. Jest to jednak niezwykle kosztowna inwestycja, a budowa giganta tylko na zasadzie – „zbudujmy go i zobaczymy, co nam pokaże” budzi sporo wątpliwości.

2. Liniowy zderzacz leptonów - wizualizacja

Istnieją dwa rodzaje podejścia do problemów w naukach fizycznych. Pierwsza to kompleksowe podejście, który polega na wąskim projekcie eksperymentu lub obserwatorium do rozwiązania określonego problemu. Drugie podejście nazywa się metodą brutalnej siły.który opracowuje uniwersalny, przesuwający granice eksperyment lub obserwatorium do badania wszechświata w zupełnie nowy sposób niż nasze poprzednie podejścia. Pierwszy jest lepiej zorientowany w Modelu Standardowym. Drugi pozwala odnaleźć ślady czegoś więcej, ale niestety to coś nie jest dokładnie określone. Zatem obie metody mają swoje wady.

Poszukiwania tzw. Teorii Wszystkiego (TUT), świętego Graala fizyki, należy umieścić w drugiej kategorii, gdyż najczęściej sprowadza się to do znajdowania coraz wyższych energii (3), przy których siły natura ostatecznie łączy się w jedną interakcję.

3. Energie potrzebne do hipotetycznej unifikacji oddziaływań

Neutrino Nisforna

W ostatnim czasie nauka coraz bardziej skupia się na ciekawszych obszarach, takich jak badania neutrin, o których niedawno opublikowaliśmy obszerny raport na MT. W lutym 2020 r. w czasopiśmie Astrophysical Journal opublikowano publikację o odkryciu wysokoenergetycznych neutrin niewiadomego pochodzenia na Antarktydzie. Oprócz znanego eksperymentu, na mroźnym kontynencie przeprowadzono również badania pod kryptonimem ANITA (), polegające na wypuszczeniu balonu z czujnikiem fale radiowe.

Obie i ANITA zostały zaprojektowane do poszukiwania fal radiowych z wysokoenergetycznych neutrin zderzających się z materią stałą tworzącą lód. Avi Loeb, przewodniczący Wydziału Astronomii Harvardu, wyjaśnił na stronie internetowej Salonu: „Zdarzenia wykryte przez ANITA z pewnością wydają się anomalią, ponieważ nie można ich wyjaśnić jako neutrin ze źródeł astrofizycznych. (...) To może być jakaś cząstka, która ze zwykłą materią oddziałuje słabiej niż neutrino. Podejrzewamy, że takie cząstki istnieją jako ciemna materia. Ale co sprawia, że ​​wydarzenia ANITA są tak energiczne?”

Neutrina są jedynymi znanymi cząstkami, które naruszają Model Standardowy. Zgodnie z Modelem Standardowym cząstek elementarnych musimy mieć trzy rodzaje neutrin (elektronowe, mionowe i taonowe) oraz trzy rodzaje antyneutrin, a po ich utworzeniu muszą one być stabilne i niezmienne w swoich właściwościach. Od lat 60., kiedy pojawiły się pierwsze obliczenia i pomiary neutrin wytwarzanych przez Słońce, zdaliśmy sobie sprawę, że jest problem. Wiedzieliśmy, w ilu neutrinach elektronowych powstało rdzeń słoneczny. Ale kiedy zmierzyliśmy, ile osób przybyło, okazało się, że była to tylko jedna trzecia przewidywanej liczby.

Albo coś jest nie tak z naszymi detektorami, albo z naszym modelem Słońca, albo coś jest nie tak z samymi neutrinami. Eksperymenty z reaktorami szybko obaliły pogląd, że coś jest nie tak z naszymi detektorami (4). Działały zgodnie z oczekiwaniami, a ich wydajność została oceniona bardzo dobrze. Wykryte przez nas neutrina zostały zarejestrowane proporcjonalnie do liczby przybywających neutrin. Przez dziesięciolecia wielu astronomów twierdziło, że nasz model słoneczny jest błędny.

4. Obrazy zdarzeń neutrinowych w promieniowaniu Czerenkowa z detektora Super Kamiokande

Oczywiście istniała inna egzotyczna możliwość, która, jeśli byłaby prawdziwa, zmieniłaby nasze rozumienie wszechświata w stosunku do tego, co przewidywał Model Standardowy. Chodzi o to, że trzy typy neutrin, które znamy, faktycznie mają masę, a nie pochylać sięi że mogą mieszać (wahać się), aby zmieniać smaki, jeśli mają wystarczającą ilość energii. Jeśli neutrino jest wyzwalane elektronicznie, może się zmieniać po drodze do mion i taonyale jest to możliwe tylko wtedy, gdy ma masę. Naukowców niepokoi problem neutrin prawoskrętnych i lewoskrętnych. Bo jeśli nie możesz tego rozróżnić, nie możesz rozróżnić, czy jest to cząstka, czy antycząstka.

Czy neutrino może być swoją własną antycząstką? Nie według zwykłego Modelu Standardowego. Fermionogólnie nie powinny być swoimi własnymi antycząstkami. Fermion to dowolna cząstka, której obrót wynosi ± XNUMX/XNUMX. Ta kategoria obejmuje wszystkie kwarki i leptony, w tym neutrina. Istnieje jednak specjalny rodzaj fermionów, który do tej pory istnieje tylko w teorii - fermion Majorany, który jest swoją własną antycząstką. Gdyby istniała, mogłoby się wydarzyć coś wyjątkowego... wolne od neutrin podwójny rozpad beta. I tu jest szansa dla eksperymentatorów, którzy takiej luki od dawna szukali.

We wszystkich obserwowanych procesach z udziałem neutrin cząstki te wykazują właściwość, którą fizycy nazywają leworęcznością. Nigdzie nie widać neutrin prawoskrętnych, które są najbardziej naturalnym przedłużeniem Modelu Standardowego. Wszystkie inne cząstki MS mają wersję prawoskrętną, ale neutrina nie. Dlaczego? Najnowsza, niezwykle wszechstronna analiza międzynarodowego zespołu fizyków, w tym Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, przeprowadziła badania nad tym zagadnieniem. Naukowcy uważają, że brak obserwacji prawoskrętnych neutrin mógłby świadczyć o tym, że są to fermiony Majorany. Gdyby tak było, to ich prawostronna wersja jest niezwykle masywna, co wyjaśnia trudność w wykryciu.

Wciąż jednak nie wiemy, czy neutrina same w sobie są antycząstkami. Nie wiemy, czy swoją masę czerpią z bardzo słabego wiązania bozonu Higgsa, czy też uzyskują ją przez jakiś inny mechanizm. I nie wiemy, może sektor neutrin jest o wiele bardziej złożony niż nam się wydaje, ze sterylnymi lub ciężkimi neutrinami czyhającymi w ciemności.

Atomy i inne anomalie

W fizyce cząstek elementarnych oprócz modnych neutrin istnieją inne, mniej znane obszary badań, z których może zabłysnąć „nowa fizyka”. Naukowcy, na przykład, niedawno zaproponowali nowy typ cząstek subatomowych, aby wyjaśnić zagadkę rozpad kaonu (5), szczególny przypadek cząstki mezonowej składającej się z jeden kwark i jeden handlarz antykami. Kiedy cząsteczki kaonu rozpadają się, niewielka ich część przechodzi zmiany, które zaskoczyły naukowców. Styl tego rozpadu może wskazywać na nowy typ cząstki lub nową siłę fizyczną w działaniu. To wykracza poza zakres Modelu Standardowego.

Istnieje więcej eksperymentów mających na celu znalezienie luk w Modelu Standardowym. Obejmują one poszukiwanie mionu g-2. Prawie sto lat temu fizyk Paul Dirac przewidział moment magnetyczny elektronu na podstawie liczby g, która określa właściwości spinowe cząstki. Następnie pomiary wykazały, że „g” różni się nieco od 2, a fizycy zaczęli wykorzystywać różnicę między rzeczywistą wartością „g” a 2 do badania wewnętrznej struktury cząstek subatomowych i ogólnie praw fizyki. W 1959 roku CERN w Genewie w Szwajcarii przeprowadził pierwszy eksperyment, w którym zmierzono wartość g-2 cząstki subatomowej zwanej mionem, związanej z elektronem, ale niestabilnej i 207 razy cięższej niż cząstka elementarna.

Brookhaven National Laboratory w Nowym Jorku rozpoczęło własny eksperyment i opublikowało wyniki swojego eksperymentu g-2 w 2004 roku. Pomiar nie był zgodny z przewidywaniami Modelu Standardowego. Jednak eksperyment nie zebrał wystarczającej ilości danych do analizy statystycznej, aby ostatecznie udowodnić, że zmierzona wartość była rzeczywiście inna, a nie tylko statystyczna fluktuacja. Inne ośrodki badawcze prowadzą teraz nowe eksperymenty z g-2 i prawdopodobnie wkrótce poznamy wyniki.

Jest coś bardziej intrygującego niż to Anomalie kaonowe i mion. W 2015 roku eksperyment dotyczący rozpadu berylu 8Be wykazał anomalię. Naukowcy na Węgrzech używają swojego detektora. Jednak przypadkowo odkryli lub myśleli, że odkryli, co sugeruje istnienie piątej fundamentalnej siły natury.

Badaniem zainteresowali się fizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego. Zasugerowali, że zjawisko tzw anomalia atomowa, spowodowała zupełnie nowa cząsteczka, która miała przenosić piątą siłę natury. Nazywa się X17, ponieważ uważa się, że odpowiadająca mu masa wynosi prawie 17 milionów elektronowoltów. Jest to 30 razy większa masa elektronu, ale mniejsza niż masa protonu. Sposób, w jaki X17 zachowuje się z protonem, jest jedną z jego najdziwniejszych cech – to znaczy w ogóle nie wchodzi w interakcję z protonem. Zamiast tego oddziałuje z ujemnie naładowanym elektronem lub neutronem, który w ogóle nie ma ładunku. Utrudnia to dopasowanie cząstki X17 do naszego obecnego Modelu Standardowego. Bozony są związane z siłami. Gluony są związane z oddziaływaniem silnym, bozony ze słabym, a fotony z elektromagnetyzmem. Istnieje nawet hipotetyczny bozon grawitacji zwany grawitonem. Jako bozon X17 będzie miał własną siłę, taką jak ta, która do tej pory pozostawała dla nas tajemnicą i może nią być.

Wszechświat i jego preferowany kierunek?

W artykule opublikowanym w kwietniu tego roku w czasopiśmie Science Advances, naukowcy z University of New South Wales w Sydney poinformowali, że nowe pomiary światła emitowanego przez kwazar oddalony o 13 miliardów lat świetlnych potwierdzają wcześniejsze badania, które wykazały niewielkie zmiany w strukturze stałej drobnej. Wszechświata. profesora Johna Webba z UNSW (6) wyjaśnia, że ​​stała struktury subtelnej „to wielkość, której fizycy używają jako miary siły elektromagnetycznej”. siła elektromagnetyczna utrzymuje elektrony wokół jąder w każdym atomie we wszechświecie. Bez tego cała materia rozpadłaby się. Do niedawna uważano ją za stałą siłę w czasie i przestrzeni. Ale w swoich badaniach prowadzonych przez ostatnie dwie dekady profesor Webb zauważył anomalię w stałej, drobnej strukturze, w której siła elektromagnetyczna mierzona w jednym wybranym kierunku we wszechświecie zawsze wydaje się być nieco inna.

„” wyjaśnia Webb. Niespójności pojawiły się nie w pomiarach australijskiego zespołu, ale w porównaniu ich wyników z wieloma innymi pomiarami światła kwazarów przez innych naukowców.

„” mówi profesor Webb. „”. Jego zdaniem wyniki wydają się sugerować, że we wszechświecie może istnieć preferowany kierunek. Innymi słowy, wszechświat miałby w pewnym sensie strukturę dipolową.

„” Mówi naukowiec o zaznaczonych anomaliach.

To jeszcze jedno: zamiast tego, co uważano za losowe rozmieszczenie galaktyk, kwazarów, obłoków gazowych i planet z życiem, Wszechświat nagle ma swój północny i południowy odpowiednik. Profesor Webb jest jednak gotów przyznać, że wyniki pomiarów prowadzonych przez naukowców na różnych etapach, przy użyciu różnych technologii iz różnych miejsc na Ziemi, są w rzeczywistości ogromnym zbiegiem okoliczności.

Webb zwraca uwagę, że jeśli we wszechświecie istnieje kierunkowość i jeśli okaże się, że elektromagnetyzm jest nieco inny w niektórych regionach kosmosu, najbardziej podstawowe koncepcje stojące za większością współczesnej fizyki będą musiały zostać ponownie przeanalizowane. „”, mówi. Model opiera się na teorii grawitacji Einsteina, która wprost zakłada stałość praw przyrody. A jeśli nie, to… myśl o przewróceniu całego gmachu fizyki zapiera dech w piersiach.