Ny fysik lyser igenom från många håll

Alla möjliga förändringar vi skulle vilja göra i standardmodellen för fysik (1) eller generell relativitetsteori, våra två bästa (men oförenliga) teorier om universum, är redan mycket begränsade. Man kan med andra ord inte förändra mycket utan att undergräva helheten.

Faktum är att det också finns resultat och fenomen som inte kan förklaras utifrån de modeller som vi känner till. Så ska vi gå ut ur vårt sätt att göra allt oförklarligt eller inkonsekvent till varje pris förenligt med befintliga teorier, eller ska vi leta efter nya? Detta är en av de grundläggande frågorna inom modern fysik.

Standardmodellen för partikelfysik har framgångsrikt förklarat alla kända och upptäckta interaktioner mellan partiklar som någonsin har observerats. Universum består av kvarkar, leptonov och mäta bosoner, som överför tre av de fyra grundläggande krafterna i naturen och ger partiklar deras vilomassa. Det finns också generell relativitetsteori, vår, tyvärr, inte en kvantteori om gravitation, som beskriver förhållandet mellan rum-tid, materia och energi i universum.

Svårigheten med att gå bortom dessa två teorier är att om man försöker förändra dem genom att introducera nya element, begrepp och kvantiteter så får man resultat som motsäger de mätningar och observationer vi redan har. Det är också värt att komma ihåg att om du vill gå utanför vår nuvarande vetenskapliga ram är bevisbördan enorm. Å andra sidan är det svårt att inte förvänta sig så mycket av någon som undergräver modeller som prövats och testats i decennier.

Inför sådana krav är det inte förvånande att knappast någon försöker helt utmana det existerande paradigmet inom fysiken. Och gör det det tas det inte alls på allvar, då det snabbt snubblar på enkla kontroller. Så om vi ser potentiella hål så är dessa bara reflektorer som signalerar att något lyser någonstans, men det är inte klart om det är värt att gå dit överhuvudtaget.

Känd fysik kan inte hantera universum

Exempel på skimret i denna "helt nya och annorlunda"? Tja, till exempel observationer av rekylhastigheten, som verkar oförenliga med påståendet att universum endast är fyllt med partiklar av standardmodellen och lyder den allmänna relativitetsteorin. Vi vet att enskilda gravitationskällor, galaxer, galaxhopar och till och med det stora kosmiska nätet kanske inte räcker för att förklara detta fenomen. Vi vet att även om standardmodellen säger att materia och antimateria ska skapas och förstöras i lika stora mängder, så lever vi i ett universum som mestadels består av materia med en liten mängd antimateria. Med andra ord ser vi att "känd fysik" inte kan förklara allt vi ser i universum.

Många experiment har gett oväntade resultat som, om de testas på en högre nivå, kan vara revolutionerande. Även den så kallade Atomic Anomaly som indikerar existensen av partiklar kan vara ett experimentellt fel, men det kan också vara ett tecken på att gå bortom Standardmodellen. Olika metoder för att mäta universum ger olika värden för graden av dess expansion - ett problem som vi övervägde i detalj i ett av de senaste numren av MT.

Ingen av dessa anomalier ger dock tillräckligt övertygande resultat för att betraktas som ett obestridligt tecken på ny fysik. Någon eller alla av dessa kan helt enkelt vara statistiska fluktuationer eller ett felaktigt kalibrerat instrument. Många av dem kan peka på ny fysik, men de kan lika gärna förklaras med hjälp av kända partiklar och fenomen i samband med allmän relativitetsteori och Standardmodellen.

Vi planerar att experimentera och hoppas på tydligare resultat och rekommendationer. Vi kan snart se om mörk energi har ett konstant värde. Baserat på planerade galaxstudier av Vera Rubin Observatory och data om avlägsna supernovor som kommer att göras tillgängliga i framtiden. nancy grace teleskop, tidigare WFIRST, måste vi ta reda på om mörk energi utvecklas med tiden till inom 1 %. Om så är fallet kommer vår "standard" kosmologiska modell att behöva ändras. Det är möjligt att rymdlaserinterferometerantennen (LISA) planmässigt också kommer att ge oss överraskningar. Kort sagt, vi räknar med de observationsfordon och experiment som vi planerar.

Vi arbetar också fortfarande inom området partikelfysik, i hopp om att hitta fenomen utanför modellen, som en mer exakt mätning av elektronens och myonens magnetiska moment – ​​om de inte stämmer överens dyker ny fysik upp. Vi jobbar på att ta reda på hur de fluktuerar neutrino – även här lyser ny fysik igenom. Och om vi bygger en exakt elektron-positronkolliderare, cirkulär eller linjär (2), kan vi upptäcka saker bortom standardmodellen som LHC ännu inte kan upptäcka. I fysikens värld har man länge föreslagit en större version av LHC med en omkrets på upp till 100 km. Detta skulle ge högre kollisionsenergier, vilket enligt många fysiker äntligen skulle signalera nya fenomen. Detta är dock en extremt dyr investering, och konstruktionen av en jätte bara på principen - "låt oss bygga den och se vad den kommer att visa oss" väcker många tvivel.

2. Linjär leptonkollider - visualisering

Det finns två typer av förhållningssätt till problem inom fysik. Det första är ett komplext tillvägagångssätt, som består i den snäva designen av ett experiment eller ett observatorium för att lösa ett specifikt problem. Den andra metoden kallas brute force-metoden.som utvecklar ett universellt, gränsdragande experiment eller observatorium för att utforska universum på ett helt nytt sätt än våra tidigare tillvägagångssätt. Den första är bättre orienterad i standardmodellen. Den andra låter dig hitta spår av något mer, men tyvärr är detta något inte exakt definierat. Sålunda har båda metoderna sina nackdelar.

Leta efter den så kallade Theory of Everything (TUT), fysikens heliga gral, bör placeras i den andra kategorin, eftersom det oftast handlar om att hitta högre och högre energier (3), där krafterna av naturen förenas så småningom till en växelverkan.

3. Energier som krävs för en hypotetisk förening av interaktioner

Nisforn neutrino

På senare tid har vetenskapen blivit mer och mer inriktad på mer intressanta områden, som neutrinoforskning, som vi nyligen publicerade en omfattande rapport om i MT. I februari 2020 publicerade Astrophysical Journal en publikation om upptäckten av högenergineutriner av okänt ursprung i Antarktis. Utöver det välkända experimentet genomfördes också forskning på den frostiga kontinenten under kodnamnet ANITA (), som bestod i att släppa en ballong med en sensor radiovågor.

Båda och ANITA var designade för att söka efter radiovågor från högenergineutriner som kolliderar med det fasta materialet som utgör isen. Avi Loeb, ordförande för Harvard Department of Astronomy, förklarade på Salons hemsida: "Händelserna som upptäckts av ANITA verkar verkligen vara en anomali eftersom de inte kan förklaras som neutriner från astrofysiska källor. (...) Det kan vara någon sorts partikel som samverkar svagare än en neutrino med vanlig materia. Vi misstänker att sådana partiklar existerar som mörk materia. Men vad gör ANITA-evenemang så energiska?”

Neutrinos är de enda kända partiklarna som bryter mot standardmodellen. Enligt Standardmodellen av elementarpartiklar måste vi ha tre typer av neutriner (elektroniska, muon och tau) och tre typer av antineutriner, och efter deras bildande måste de vara stabila och oförändrade i sina egenskaper. Sedan 60-talet, när de första beräkningarna och mätningarna av neutriner producerade av solen dök upp, insåg vi att det fanns ett problem. Vi visste hur många elektronneutriner som bildades i solkärna. Men när vi mätte hur många som anlände såg vi bara en tredjedel av det förutspådda antalet.

Antingen är det något fel på våra detektorer, eller så är något fel på vår modell av solen, eller så är det något fel på själva neutrinerna. Reaktorexperiment motbevisade snabbt föreställningen att något var fel med våra detektorer (4). De fungerade som förväntat och deras prestationer fick mycket goda betyg. De neutriner vi upptäckte registrerades i proportion till antalet ankommande neutrinos. I decennier har många astronomer hävdat att vår solmodell är fel.

4. Bilder av neutrinohändelser i Cherenkov-strålning från Super Kamiokande-detektorn

Naturligtvis fanns det en annan exotisk möjlighet som, om den stämmer, skulle förändra vår förståelse av universum från vad Standardmodellen förutspådde. Tanken är att de tre typer av neutriner vi känner faktiskt har massa, inte mager, och att de kan blanda (fluktuera) för att ändra smaker om de har tillräckligt med energi. Om neutrinon utlöses elektroniskt kan den förändras på vägen till muon i taonovmen detta är möjligt endast när det har massa. Forskare är oroade över problemet med höger- och vänsterhänta neutriner. För om du inte kan skilja det, kan du inte skilja på om det är en partikel eller en antipartikel.

Kan en neutrino vara sin egen antipartikel? Inte enligt den vanliga standardmodellen. Fermioneri allmänhet bör de inte vara sina egna antipartiklar. En fermion är vilken partikel som helst med en rotation på ± XNUMX/XNUMX. Denna kategori omfattar alla kvarkar och leptoner, inklusive neutriner. Det finns dock en speciell typ av fermioner, som än så länge bara existerar i teorin - Majorana fermion, som är en egen antipartikel. Om det funnits kan det hända något speciellt... neutrinofri dubbel beta-sönderfall. Och här finns en chans för experimenterande som har letat efter en sådan lucka länge.

I alla observerade processer som involverar neutriner uppvisar dessa partiklar en egenskap som fysiker kallar vänsterhänthet. Högerhänta neutrinos, som är den mest naturliga förlängningen av standardmodellen, finns ingenstans att se. Alla andra MS-partiklar har en högerhänt version, men det har inte neutriner. Varför? Den senaste, extremt omfattande analysen av ett internationellt team av fysiker, inklusive Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin (IFJ PAN) i Krakow, har forskat i denna fråga. Forskare tror att bristen på observation av högerhänta neutrinos kan bevisa att de är Majorana-fermioner. Om de var det, så är deras högersidiga version extremt massiv, vilket förklarar svårigheten att upptäcka.

Ändå vet vi fortfarande inte om neutriner själva är antipartiklar. Vi vet inte om de får sin massa från den mycket svaga bindningen av Higgs-bosonen, eller om de får den genom någon annan mekanism. Och vi vet inte, kanske är neutrinosektorn mycket mer komplex än vi tror, ​​med sterila eller tunga neutriner som lurar i mörkret.

Atomer och andra anomalier

Inom elementarpartikelfysiken finns det, förutom de fashionabla neutrinerna, andra, mindre kända forskningsområden från vilka "ny fysik" kan lysa igenom. Forskare, till exempel, har nyligen föreslagit en ny typ av subatomära partiklar för att förklara det gåtfulla sönderfall som (5), ett specialfall av en mesonpartikel som består av en kvarg i en antikhandlare. När kaon-partiklar sönderfaller genomgår en liten bråkdel av dem förändringar som förvånade forskarna. Stilen på detta förfall kan indikera en ny typ av partikel eller en ny fysisk kraft i arbete. Detta ligger utanför ramen för standardmodellen.

Det finns fler experiment för att hitta luckor i standardmodellen. Dessa inkluderar sökandet efter g-2-myonen. För nästan hundra år sedan förutspådde fysikern Paul Dirac det magnetiska momentet för en elektron med hjälp av g, ett tal som bestämmer spinnegenskaperna hos en partikel. Sedan visade mätningar att "g" skiljer sig något från 2, och fysiker började använda skillnaden mellan det faktiska värdet av "g" och 2 för att studera subatomära partiklars inre struktur och fysikens lagar i allmänhet. År 1959 genomförde CERN i Genève, Schweiz, det första experimentet som mätte g-2-värdet för en subatomär partikel som kallas en myon, bunden till en elektron men instabil och 207 gånger tyngre än en elementarpartikel.

Brookhaven National Laboratory i New York startade sitt eget experiment och publicerade resultaten av deras g-2-experiment 2004. Mätningen var inte vad standardmodellen förutspådde. Experimentet samlade dock inte in tillräckligt med data för statistisk analys för att definitivt bevisa att det uppmätta värdet verkligen var annorlunda och inte bara en statistisk fluktuation. Andra forskningscentra gör nu nya experiment med g-2, och vi kommer förmodligen att få veta resultaten snart.

Det finns något mer spännande än detta Kaon anomalier i muon. 2015 visade ett experiment på sönderfallet av beryllium 8Be en anomali. Forskare i Ungern använder sin detektor. För övrigt upptäckte de, eller trodde att de upptäckte, vilket antyder existensen av en femte grundläggande naturkraft.

Fysiker från University of California blev intresserade av studien. De föreslog att fenomenet ringde atomär anomali, orsakades av en helt ny partikel, som var tänkt att bära den femte naturens kraft. Den kallas X17 eftersom dess motsvarande massa tros vara nästan 17 miljoner elektronvolt. Detta är 30 gånger massan av en elektron, men mindre än massan av en proton. Och hur X17 beter sig med en proton är en av dess konstigaste egenskaper - det vill säga att den inte interagerar med en proton alls. Istället interagerar den med en negativt laddad elektron eller neutron, som inte har någon laddning alls. Detta gör det svårt att passa in X17-partikeln i vår nuvarande standardmodell. Bosoner förknippas med krafter. Gluoner är förknippade med den starka kraften, bosoner med den svaga kraften och fotoner med elektromagnetism. Det finns till och med en hypotetisk boson för gravitation som kallas graviton. Som en boson kommer X17 att bära en egen kraft, som den som hittills har varit ett mysterium för oss och skulle kunna vara.

Universum och dess föredragna riktning?

I en artikel som publicerades i april i tidskriften Science Advances rapporterade forskare vid University of New South Wales i Sydney att nya mätningar av ljus som emitteras av en kvasar 13 miljarder ljusår bort bekräftar tidigare studier som fann små variationer i den fina konstanta strukturen av universum. Professor John Webb från UNSW (6) förklarar att finstrukturkonstanten "är en kvantitet som fysiker använder som ett mått på den elektromagnetiska kraften." elektromagnetisk kraft upprätthåller elektroner runt kärnorna i varje atom i universum. Utan den skulle all materia falla isär. Tills nyligen ansågs det vara en konstant kraft i tid och rum. Men i sin forskning under de senaste två decennierna har professor Webb noterat en anomali i den solida fina strukturen där den elektromagnetiska kraften, mätt i en vald riktning i universum, alltid verkar vara något annorlunda.

"" förklarar Webb. Inkonsekvenserna dök inte upp i det australiensiska lagets mätningar, utan i att jämföra deras resultat med många andra mätningar av kvasarljus av andra forskare.

"" säger professor Webb. "". Enligt hans åsikt verkar resultaten tyda på att det kan finnas en föredragen riktning i universum. Med andra ord skulle universum i någon mening ha en dipolstruktur.

"" Säger vetenskapsmannen om de markerade anomalierna.

Detta är en sak till: istället för vad man trodde var en slumpmässig spridning av galaxer, kvasarer, gasmoln och planeter med liv, har universum plötsligt en nordlig och sydlig motsvarighet. Professor Webb är ändå redo att erkänna att resultaten av mätningar av forskare utförda i olika skeden med olika tekniker och från olika platser på jorden i själva verket är en enorm slump.

Webb påpekar att om det finns riktning i universum, och om elektromagnetismen visar sig vara något annorlunda i vissa regioner av kosmos, kommer de mest grundläggande begreppen bakom mycket av modern fysik att behöva ses över. "", talar. Modellen bygger på Einsteins gravitationsteori, som uttryckligen antar naturlagarnas beständighet. Och om inte, då ... tanken på att vända hela fysikens byggnad är hisnande.