Fizik baharu bersinar dari banyak tempat

Sebarang perubahan yang mungkin kami ingin lakukan pada Model Standard fizik (1) atau relativiti am, dua teori terbaik (walaupun tidak serasi) kami tentang alam semesta, sudah sangat terhad. Dalam erti kata lain, anda tidak boleh banyak berubah tanpa menjejaskan keseluruhannya.

Hakikatnya terdapat juga hasil dan fenomena yang tidak dapat dijelaskan berdasarkan model yang kita ketahui. Oleh itu, patutkah kita berusaha keras untuk menjadikan segala-galanya tidak dapat diterangkan atau tidak konsisten pada sebarang kos konsisten dengan teori sedia ada, atau adakah kita perlu mencari yang baharu? Ini adalah salah satu soalan asas fizik moden.

Model Standard fizik zarah telah berjaya menerangkan semua interaksi yang diketahui dan ditemui antara zarah yang pernah diperhatikan. Alam semesta terdiri daripada kuark, leptonov dan boson tolok, yang menghantar tiga daripada empat daya asas dalam alam semula jadi dan memberi zarah jisim rehatnya. Terdapat juga relativiti umum, malangnya, kami bukan teori kuantum graviti, yang menerangkan hubungan antara ruang-masa, jirim dan tenaga di alam semesta.

Kesukaran untuk melangkaui kedua-dua teori ini ialah jika anda cuba mengubahnya dengan memperkenalkan elemen, konsep dan kuantiti baharu, anda akan mendapat keputusan yang bercanggah dengan ukuran dan pemerhatian yang telah kita ada. Perlu diingat juga bahawa jika anda ingin melampaui kerangka saintifik semasa kami, beban pembuktian adalah sangat besar. Sebaliknya, sukar untuk tidak mengharapkan terlalu banyak daripada seseorang yang menjejaskan model yang telah dicuba dan diuji selama beberapa dekad.

Dalam menghadapi tuntutan sedemikian, tidak hairanlah hampir tidak ada orang yang cuba mencabar sepenuhnya paradigma fizik yang sedia ada. Dan jika ia berlaku, ia tidak diambil serius sama sekali, kerana ia cepat tersandung pada pemeriksaan mudah. Jadi, jika kita melihat potensi lubang, maka ini hanyalah pemantul, menandakan ada sesuatu yang bersinar di suatu tempat, tetapi tidak jelas sama ada ia patut pergi ke sana sama sekali.

Fizik yang terkenal tidak boleh mengendalikan alam semesta

Contoh kilauan "baru dan berbeza" ini? Contohnya, pemerhatian terhadap kadar mundur, yang kelihatan tidak konsisten dengan kenyataan bahawa Alam Semesta hanya dipenuhi dengan zarah Model Standard dan mematuhi teori relativiti umum. Kita tahu bahawa sumber individu graviti, galaksi, gugusan galaksi, dan juga web kosmik yang hebat tidak mencukupi untuk menjelaskan fenomena ini, mungkin. Kita tahu bahawa, walaupun Model Standard menyatakan bahawa jirim dan antijirim harus dicipta dan dimusnahkan dalam jumlah yang sama, kita hidup dalam alam semesta yang kebanyakannya terdiri daripada jirim dengan sejumlah kecil antijirim. Dengan kata lain, kita melihat bahawa "fizik yang diketahui" tidak dapat menjelaskan semua yang kita lihat di alam semesta.

Banyak eksperimen telah menghasilkan keputusan yang tidak dijangka yang, jika diuji pada tahap yang lebih tinggi, boleh menjadi revolusioner. Malah apa yang dipanggil Anomali Atom yang menunjukkan kewujudan zarah boleh menjadi ralat percubaan, tetapi ia juga boleh menjadi tanda melampaui Model Standard. Kaedah yang berbeza untuk mengukur alam semesta memberikan nilai yang berbeza untuk kadar pengembangannya - masalah yang kami pertimbangkan secara terperinci dalam salah satu isu terbaru MT.

Walau bagaimanapun, tiada satu pun daripada anomali ini memberikan hasil yang cukup meyakinkan untuk dianggap sebagai tanda fizik baharu yang tidak dapat dipertikaikan. Mana-mana atau semua ini mungkin hanya turun naik statistik atau instrumen yang tidak ditentukur dengan betul. Ramai daripada mereka mungkin menunjuk kepada fizik baharu, tetapi ia boleh dijelaskan dengan mudah menggunakan zarah dan fenomena yang diketahui dalam konteks relativiti am dan Model Standard.

Kami merancang untuk mencuba, mengharapkan hasil dan pengesyoran yang lebih jelas. Kita mungkin tidak lama lagi akan melihat jika tenaga gelap mempunyai nilai tetap. Berdasarkan kajian galaksi yang dirancang oleh Balai Cerap Vera Rubin dan data mengenai supernova jauh yang akan disediakan pada masa hadapan. teleskop nancy grace, sebelum ini WFIRST, kita perlu mengetahui sama ada tenaga gelap berkembang mengikut masa hingga dalam 1%. Jika ya, maka model kosmologi "standard" kami perlu diubah. Berkemungkinan antena interferometer laser angkasa (LISA) dari segi rancangan juga akan memberikan kejutan kepada kita. Pendek kata, kami bergantung pada kenderaan pemerhatian dan eksperimen yang kami rancang.

Kami juga masih bekerja dalam bidang fizik zarah, berharap dapat menemui fenomena di luar Model, seperti pengukuran momen magnet elektron dan muon yang lebih tepat - jika mereka tidak bersetuju, fizik baharu muncul. Kami sedang berusaha untuk mengetahui cara ia berubah-ubah neutrino – di sini juga, fizik baharu menyerlah. Dan jika kita membina pelanggar elektron-positron yang tepat, bulat atau linear (2), kita boleh mengesan perkara di luar Model Standard yang belum dapat dikesan oleh LHC. Dalam dunia fizik, versi LHC yang lebih besar dengan lilitan sehingga 100 km telah lama dicadangkan. Ini akan memberikan tenaga perlanggaran yang lebih tinggi, yang, menurut banyak ahli fizik, akhirnya akan memberi isyarat kepada fenomena baharu. Walau bagaimanapun, ini adalah pelaburan yang sangat mahal, dan pembinaan gergasi hanya berdasarkan prinsip - "mari kita bina dan lihat apa yang akan ditunjukkan kepada kita" menimbulkan banyak keraguan.

2. Pelanggar lepton linear - visualisasi

Terdapat dua jenis pendekatan kepada masalah dalam sains fizik. Yang pertama ialah pendekatan yang kompleks, yang terdiri daripada reka bentuk sempit eksperimen atau balai cerap untuk menyelesaikan masalah tertentu. Pendekatan kedua dipanggil kaedah brute force.yang membangunkan eksperimen atau balai cerap sejagat, menolak sempadan untuk meneroka alam semesta dengan cara yang sama sekali baharu daripada pendekatan kami sebelum ini. Yang pertama lebih berorientasikan dalam Model Standard. Yang kedua membolehkan anda mencari jejak sesuatu yang lebih, tetapi, malangnya, sesuatu ini tidak ditakrifkan dengan tepat. Oleh itu, kedua-dua kaedah mempunyai kelemahan mereka.

Cari apa yang dipanggil Teori Segala-galanya (TUT), cawan suci fizik, harus diletakkan dalam kategori kedua, kerana lebih kerap daripada tidak ia datang untuk mencari tenaga yang lebih tinggi dan lebih tinggi (3), di mana kuasa-kuasa alam akhirnya bergabung menjadi satu interaksi.

3. Tenaga yang diperlukan untuk penyatuan hipotesis interaksi

Nisforn neutrino

Baru-baru ini, sains semakin tertumpu pada bidang yang lebih menarik, seperti penyelidikan neutrino, yang mana kami baru-baru ini menerbitkan laporan yang luas dalam MT. Pada Februari 2020, Astrophysical Journal menerbitkan penerbitan tentang penemuan neutrino tenaga tinggi yang tidak diketahui asal usulnya di Antartika. Sebagai tambahan kepada eksperimen yang terkenal, penyelidikan juga dijalankan di benua yang sejuk di bawah nama kod ANITA (), yang terdiri daripada pelepasan belon dengan sensor gelombang radio.

Kedua-duanya dan ANITA direka untuk mencari gelombang radio daripada neutrino bertenaga tinggi yang berlanggar dengan bahan pepejal yang membentuk ais. Avi Loeb, pengerusi Jabatan Astronomi Harvard, menjelaskan di laman web Salon: “Peristiwa yang dikesan oleh ANITA pasti kelihatan seperti anomali kerana ia tidak dapat dijelaskan sebagai neutrino daripada sumber astrofizik. (...) Ia mungkin sejenis zarah yang berinteraksi lebih lemah daripada neutrino dengan jirim biasa. Kami mengesyaki bahawa zarah tersebut wujud sebagai jirim gelap. Tetapi apakah yang membuatkan acara ANITA begitu bertenaga?

Neutrino adalah satu-satunya zarah yang diketahui telah melanggar Model Standard. Menurut Model Standard zarah asas, kita mesti mempunyai tiga jenis neutrino (elektronik, muon dan tau) dan tiga jenis antineutrino, dan selepas pembentukannya ia mestilah stabil dan tidak berubah dalam sifatnya. Sejak tahun 60-an, apabila pengiraan dan pengukuran pertama neutrino yang dihasilkan oleh Matahari muncul, kami menyedari bahawa terdapat masalah. Kami tahu berapa banyak neutrino elektron yang terbentuk teras suria. Tetapi apabila kami mengukur bilangan yang tiba, kami melihat hanya satu pertiga daripada jumlah yang diramalkan.

Sama ada ada yang salah dengan pengesan kami, atau ada yang salah dengan model Matahari kami, atau ada yang salah dengan neutrino itu sendiri. Eksperimen reaktor dengan cepat menafikan tanggapan bahawa ada sesuatu yang tidak kena dengan pengesan kami (4). Mereka bekerja seperti yang diharapkan dan prestasi mereka dinilai sangat baik. Neutrino yang kami kesan telah didaftarkan mengikut kadar bilangan neutrino yang tiba. Selama beberapa dekad, ramai ahli astronomi telah berhujah bahawa model solar kita adalah salah.

4. Imej peristiwa neutrino dalam sinaran Cherenkov daripada pengesan Super Kamiokande

Sudah tentu, terdapat satu lagi kemungkinan eksotik bahawa, jika benar, akan mengubah pemahaman kita tentang alam semesta daripada apa yang diramalkan oleh Model Standard. Ideanya ialah tiga jenis neutrino yang kita tahu sebenarnya mempunyai jisim, bukan kurus, dan bahawa mereka boleh bercampur (berubah-ubah) untuk menukar perisa jika mereka mempunyai tenaga yang mencukupi. Jika neutrino dicetuskan secara elektronik, ia boleh berubah sepanjang perjalanan ke muon i taonovtetapi ini hanya boleh dilakukan apabila ia mempunyai jisim. Para saintis mengambil berat tentang masalah neutrino tangan kanan dan kiri. Kerana jika anda tidak dapat membezakannya, anda tidak boleh membezakan sama ada ia zarah atau antizarah.

Bolehkah neutrino menjadi antizarahnya sendiri? Tidak mengikut Model Standard biasa. fermionsecara amnya mereka tidak sepatutnya menjadi antizarah mereka sendiri. Fermion ialah sebarang zarah dengan putaran ± ½. Kategori ini termasuk semua quark dan lepton, termasuk neutrino. Walau bagaimanapun, terdapat jenis fermion khas, yang setakat ini hanya wujud dalam teori - fermion Majorana, yang merupakan antizarahnya sendiri. Jika ia wujud, sesuatu yang istimewa mungkin berlaku... bebas neutrino pereputan beta berganda. Dan inilah peluang untuk penguji yang telah lama mencari jurang sedemikian.

Dalam semua proses yang diperhatikan yang melibatkan neutrino, zarah-zarah ini mempamerkan sifat yang dipanggil oleh ahli fizik sebagai kidal. Neutrino tangan kanan, yang merupakan lanjutan paling semula jadi bagi Model Standard, tidak dapat dilihat di mana-mana. Semua zarah MS lain mempunyai versi tangan kanan, tetapi neutrino tidak. kenapa? Analisis terkini yang sangat komprehensif oleh pasukan fizik antarabangsa, termasuk Institut Fizik Nuklear Akademi Sains Poland (IFJ PAN) di Krakow, telah melakukan penyelidikan mengenai isu ini. Para saintis percaya bahawa kekurangan pemerhatian neutrino tangan kanan boleh membuktikan bahawa mereka adalah fermion Majorana. Jika ya, maka versi sebelah kanan mereka sangat besar, yang menjelaskan kesukaran pengesanan.

Namun kita masih tidak tahu sama ada neutrino adalah antizarah itu sendiri. Kita tidak tahu sama ada mereka mendapat jisim mereka daripada pengikatan boson Higgs yang sangat lemah, atau jika mereka mendapatnya melalui beberapa mekanisme lain. Dan kita tidak tahu, mungkin sektor neutrino jauh lebih kompleks daripada yang kita fikirkan, dengan neutrino steril atau berat bersembunyi dalam kegelapan.

Atom dan anomali lain

Dalam fizik zarah asas, selain neutrino yang bergaya, terdapat bidang penyelidikan lain yang kurang terkenal di mana "fizik baharu" boleh menyerlah. Para saintis, sebagai contoh, baru-baru ini telah mencadangkan jenis zarah subatom baharu untuk menerangkan misteri itu perpecahan sebagai (5), kes khas zarah meson yang terdiri daripada satu quark i seorang peniaga antik. Apabila zarah kaon mereput, sebahagian kecil daripadanya mengalami perubahan yang mengejutkan saintis. Gaya pereputan ini mungkin menunjukkan jenis zarah baharu atau daya fizikal baharu di tempat kerja. Ini di luar skop Model Standard.

Terdapat lebih banyak percubaan untuk mencari jurang dalam Model Standard. Ini termasuk pencarian muon g-2. Hampir seratus tahun yang lalu, ahli fizik Paul Dirac meramalkan momen magnet elektron menggunakan g, nombor yang menentukan sifat putaran zarah. Kemudian pengukuran menunjukkan bahawa "g" berbeza sedikit daripada 2, dan ahli fizik mula menggunakan perbezaan antara nilai sebenar "g" dan 2 untuk mengkaji struktur dalaman zarah subatom dan undang-undang fizik secara umum. Pada tahun 1959, CERN di Geneva, Switzerland, menjalankan eksperimen pertama yang mengukur nilai g-2 zarah subatom yang dipanggil muon, terikat kepada elektron tetapi tidak stabil dan 207 kali lebih berat daripada zarah asas.

Makmal Kebangsaan Brookhaven di New York memulakan eksperimennya sendiri dan menerbitkan keputusan eksperimen g-2 mereka pada tahun 2004. Pengukuran bukanlah seperti yang diramalkan oleh Model Standard. Walau bagaimanapun, eksperimen tidak mengumpul data yang mencukupi untuk analisis statistik untuk membuktikan secara konklusif bahawa nilai yang diukur sememangnya berbeza dan bukan hanya turun naik statistik. Pusat penyelidikan lain kini menjalankan eksperimen baharu dengan g-2, dan kami mungkin akan mengetahui hasilnya tidak lama lagi.

Ada sesuatu yang lebih menarik daripada ini Anomali kaon i muon. Pada tahun 2015, satu eksperimen ke atas pereputan berilium 8Be menunjukkan anomali. Para saintis di Hungary menggunakan pengesan mereka. Walau bagaimanapun, secara kebetulan, mereka menemui, atau menyangka mereka telah menemui, yang mencadangkan kewujudan daya asas alam yang kelima.

Ahli fizik dari Universiti California mula berminat dengan kajian itu. Mereka mencadangkan bahawa fenomena itu dipanggil anomali atom, disebabkan oleh zarah yang sama sekali baru, yang sepatutnya membawa daya kelima alam. Ia dipanggil X17 kerana jisim sepadannya dianggap hampir 17 juta volt elektron. Ini adalah 30 kali jisim elektron, tetapi kurang daripada jisim proton. Dan cara X17 berkelakuan dengan proton adalah salah satu ciri yang paling pelik - iaitu, ia tidak berinteraksi langsung dengan proton. Sebaliknya, ia berinteraksi dengan elektron atau neutron bercas negatif, yang tidak mempunyai cas sama sekali. Ini menyukarkan untuk memuatkan zarah X17 ke dalam Model Standard semasa kami. Boson dikaitkan dengan daya. Gluon dikaitkan dengan daya kuat, boson dengan daya lemah, dan foton dengan elektromagnetisme. Malah terdapat boson hipotesis untuk graviti yang dipanggil graviton. Sebagai boson, X17 akan membawa kuasanya sendiri, seperti yang sehingga kini masih menjadi misteri kepada kita dan boleh jadi.

Alam semesta dan arah pilihannya?

Dalam makalah yang diterbitkan April ini dalam jurnal Science Advances, saintis di University of New South Wales di Sydney melaporkan bahawa ukuran baru cahaya yang dipancarkan oleh quasar 13 bilion tahun cahaya jauhnya mengesahkan kajian terdahulu yang menemui variasi kecil dalam struktur tetap halus. alam semesta. Profesor John Webb daripada UNSW (6) menjelaskan bahawa pemalar struktur halus "adalah kuantiti yang digunakan oleh ahli fizik sebagai ukuran daya elektromagnet." daya elektromagnet mengekalkan elektron di sekeliling nukleus dalam setiap atom di alam semesta. Tanpanya, semua perkara akan runtuh. Sehingga baru-baru ini, ia dianggap sebagai kuasa berterusan dalam masa dan ruang. Tetapi dalam penyelidikannya sejak dua dekad yang lalu, Profesor Webb telah melihat anomali dalam struktur halus pepejal di mana daya elektromagnet, diukur dalam satu arah yang dipilih di alam semesta, nampaknya sentiasa berbeza sedikit.

"" menerangkan Webb. Ketidakkonsistenan tidak muncul dalam ukuran pasukan Australia, tetapi dalam membandingkan keputusan mereka dengan banyak ukuran cahaya quasar lain oleh saintis lain.

"" kata Profesor Webb. "". Pada pendapatnya, hasilnya seolah-olah menunjukkan bahawa mungkin ada arah pilihan di alam semesta. Dengan kata lain, alam semesta dalam erti kata tertentu mempunyai struktur dipol.

"" Kata saintis tentang anomali yang ditanda.

Ini adalah satu perkara lagi: daripada apa yang dianggap sebagai penyebaran rawak galaksi, quasar, awan gas dan planet dengan kehidupan, alam semesta tiba-tiba mempunyai pasangan utara dan selatan. Profesor Webb bagaimanapun bersedia untuk mengakui bahawa hasil pengukuran oleh saintis yang dijalankan pada peringkat yang berbeza menggunakan teknologi yang berbeza dan dari tempat yang berbeza di Bumi sebenarnya adalah satu kebetulan yang besar.

Webb menunjukkan bahawa jika terdapat arah dalam alam semesta, dan jika elektromagnetisme ternyata sedikit berbeza di kawasan tertentu di kosmos, konsep paling asas di sebalik kebanyakan fizik moden perlu dikaji semula. "", bercakap. Model ini berdasarkan teori graviti Einstein, yang secara eksplisit menganggap keteguhan undang-undang alam. Dan jika tidak, maka ... pemikiran untuk mengubah keseluruhan bangunan fizik adalah menakjubkan.