Новата физика блести от много места

Всички възможни промени, които бихме искали да направим в Стандартния модел на физиката (1) или общата теория на относителността, нашите две най-добри (макар и несъвместими) теории за Вселената, вече са много ограничени. С други думи, не можете да промените много, без да подкопаете цялото.

Факт е, че има и резултати и явления, които не могат да бъдат обяснени на базата на познатите ни модели. Така че трябва ли да направим всичко по пътя си, за да направим всичко необяснимо или непоследователно на всяка цена в съответствие със съществуващите теории, или трябва да търсим нови? Това е един от основните въпроси на съвременната физика.

Стандартният модел на физиката на елементарните частици успешно обясни всички известни и открити взаимодействия между частици, които някога са били наблюдавани. Вселената е съставена от кварки, лептонов и калибровъчни бозони, които предават три от четирите фундаментални сили в природата и придават на частиците тяхната маса на покой. Съществува и обща теория на относителността, нашата, за съжаление, не квантова теория на гравитацията, която описва връзката между пространство-време, материя и енергия във Вселената.

Трудността при излизането отвъд тези две теории е, че ако се опитате да ги промените чрез въвеждане на нови елементи, концепции и количества, ще получите резултати, които противоречат на измерванията и наблюденията, които вече имаме. Също така си струва да запомните, че ако искате да надхвърлите настоящата ни научна рамка, тежестта на доказване е огромна. От друга страна е трудно да не се очаква толкова много от някой, който подкопава моделите, изпробвани от десетилетия.

Пред тези изисквания не е изненадващо, че едва ли някой се опитва да оспори напълно съществуващата парадигма във физиката. И ако го направи, изобщо не се приема сериозно, тъй като бързо се натъква на прости проверки. Така че, ако видим потенциални дупки, то това са само рефлектори, сигнализиращи, че някъде свети нещо, но не е ясно дали изобщо си струва да отидем там.

Известната физика не може да се справи с Вселената

Примери за блясъка на това „напълно ново и различно“? Ами, например, наблюдения на скоростта на отката, които изглеждат несъвместими с твърдението, че Вселената е изпълнена само с частици от Стандартния модел и се подчинява на общата теория на относителността. Знаем, че отделни източници на гравитация, галактики, клъстери от галактики и дори голямата космическа мрежа не са достатъчни, за да обяснят този феномен, може би. Знаем, че въпреки че Стандартният модел гласи, че материята и антиматерията трябва да се създават и унищожават в равни количества, ние живеем във вселена, съставена предимно от материя с малко количество антиматерия. С други думи, виждаме, че „известната физика“ не може да обясни всичко, което виждаме във Вселената.

Много експерименти дадоха неочаквани резултати, които, ако бъдат тествани на по-високо ниво, биха могли да бъдат революционни. Дори така наречената атомна аномалия, показваща съществуването на частици, може да бъде експериментална грешка, но също така може да бъде знак за излизане отвъд стандартния модел. Различните методи за измерване на Вселената дават различни стойности за скоростта на нейното разширяване - проблем, който разгледахме подробно в един от последните броеве на MT.

Нито една от тези аномалии обаче не дава достатъчно убедителни резултати, за да се счита за безспорен признак на новата физика. Някое или всички от тях може да са просто статистически флуктуации или неправилно калибриран инструмент. Много от тях може да насочват към нова физика, но също толкова лесно могат да бъдат обяснени с помощта на известни частици и явления в контекста на общата теория на относителността и Стандартния модел.

Планираме да експериментираме, надявайки се на по-ясни резултати и препоръки. Скоро може да видим дали тъмната енергия има постоянна стойност. Въз основа на планирани изследвания на галактики от обсерваторията Вера Рубин и данни за далечни свръхнови, които ще бъдат предоставени в бъдеще. телескоп на Нанси Грейс, преди WFIRST, трябва да разберем дали тъмната енергия се развива с времето до 1%. Ако е така, тогава нашият "стандартен" космологичен модел ще трябва да бъде променен. Възможно е космическата лазерна интерферометърна антена (LISA) по план също да ни поднесе изненади. Накратко, разчитаме на корабите за наблюдение и експериментите, които планираме.

Ние също така все още работим в областта на физиката на елементарните частици, надявайки се да открием явления извън Модела, като по-точно измерване на магнитните моменти на електрона и мюона – ако те не са съгласни, се появява нова физика. Работим, за да разберем как те се колебаят неутрино – и тук прозира нова физика. И ако изградим точен електрон-позитронен колайдер, кръгъл или линеен (2), можем да открием неща извън Стандартния модел, които LHC все още не може да открие. В света на физиката отдавна се предлага по-голяма версия на LHC с обиколка до 100 км. Това ще даде по-високи енергии на сблъсък, което според много физици най-накрая ще сигнализира за нови явления. Това обаче е изключително скъпа инвестиция, а изграждането на гигант само на принципа - "да го построим и да видим какво ще ни покаже" буди много съмнения.

2. Линеен лептонен колайдер - визуализация

Има два типа подход към проблемите във физическите науки. Първият е комплексен подход, което се състои в тясно проектиране на експеримент или обсерватория за решаване на конкретна задача. Вторият подход се нарича метод на груба сила.който разработва универсален експеримент или обсерватория за избутване на границите, за да изследва Вселената по напълно нов начин от предишните ни подходи. Първият е по-добре ориентиран в Стандартния модел. Вторият ви позволява да намерите следи от нещо повече, но, за съжаление, това нещо не е точно дефинирано. Следователно и двата метода имат своите недостатъци.

Потърсете така наречената теория на всичко (TUT), свещения граал на физиката, трябва да се постави във втората категория, тъй като по-често тя се свежда до намиране на все по-високи енергии (3), при които силите на природата в крайна сметка се обединяват в едно взаимодействие.

3. Енергии, необходими за хипотетично обединение на взаимодействията

Нисфорн неутрино

Напоследък науката става все по-фокусирана върху по-интересни области, като изследванията на неутрино, за които наскоро публикувахме обширен доклад в MT. През февруари 2020 г. Astrophysical Journal публикува публикация за откриването на високоенергийни неутрино с неизвестен произход в Антарктида. В допълнение към добре познатия експеримент, на мразовития континент бяха проведени и изследвания под кодовото име ANITA (), състоящо се в пускането на балон със сензор радио вълни.

И двете, и ANITA са проектирани да търсят радиовълни от високоенергийни неутрино, сблъскващи се с твърдата материя, която изгражда леда. Ави Льоб, председател на катедрата по астрономия в Харвард, обясни на уебсайта на Salon: „Събитията, открити от ANITA, със сигурност изглеждат като аномалия, защото не могат да бъдат обяснени като неутрино от астрофизични източници. (...) Може да е някаква частица, която взаимодейства по-слабо от неутрино с обикновената материя. Подозираме, че такива частици съществуват като тъмна материя. Но какво прави събитията на ANITA толкова енергични?”

Неутрино са единствените частици, за които е известно, че са нарушили Стандартния модел. Според Стандартния модел на елементарните частици трябва да имаме три вида неутрино (електронни, мюонни и тау) и три вида антинеутрино, като след образуването им те трябва да са стабилни и непроменени в свойствата си. От 60-те години на миналия век, когато се появиха първите изчисления и измервания на неутрино, произведени от Слънцето, разбрахме, че има проблем. Знаехме в колко електронни неутрино са се образували слънчево ядро. Но когато измерихме колко са пристигнали, видяхме само една трета от предвидения брой.

Или нещо не е наред с нашите детектори, или нещо не е наред с нашия модел на Слънцето, или нещо не е наред със самите неутрино. Експериментите с реактор бързо опровергаха идеята, че нещо не е наред с нашите детектори (4). Работиха според очакванията и представянето им беше много добре оценено. Неутрино, които открихме, бяха регистрирани пропорционално на броя на пристигащите неутрино. В продължение на десетилетия много астрономи твърдят, че нашият слънчев модел е грешен.

4. Изображения на неутрино събития в радиация на Черенков от детектора Super Kamiokande

Разбира се, имаше и друга екзотична възможност, която, ако е вярна, ще промени разбирането ни за Вселената от това, което предсказва Стандартният модел. Идеята е, че трите вида неутрино, които познаваме, всъщност имат маса, а не постени че могат да се смесват (колебаят), за да променят вкусовете, ако имат достатъчно енергия. Ако неутриното се задейства по електронен път, то може да се промени по пътя към мюон i таоновно това е възможно само когато има маса. Учените са загрижени за проблема с десните и левите неутрино. Защото ако не можете да го различите, не можете да различите дали е частица или античастица.

Може ли едно неутрино да бъде своя собствена античастица? Не според обичайния Стандартен модел. Фермионикато цяло те не трябва да бъдат свои собствени античастици. Фермионът е всяка частица с въртене ± XNUMX/XNUMX. Тази категория включва всички кварки и лептони, включително неутрино. Има обаче особен вид фермиони, който засега съществува само на теория - фермионът Майорана, който е своя собствена античастица. Ако съществуваше, може да се случи нещо специално... без неутрино двоен бета разпад. И тук има шанс за експериментатори, които отдавна търсят такава празнина.

Във всички наблюдавани процеси, включващи неутрино, тези частици проявяват свойство, което физиците наричат ​​левичарство. Никъде не се виждат десни неутрино, които са най-естественото продължение на Стандартния модел. Всички други MS частици имат дясна версия, но неутрино не. Защо? Последният, изключително изчерпателен анализ на международен екип от физици, включително Института по ядрена физика на Полската академия на науките (IFJ PAN) в Краков, направи изследване по този въпрос. Учените смятат, че липсата на наблюдение на десните неутрино може да докаже, че те са майорански фермиони. Ако бяха, тогава дясната им версия е изключително масивна, което обяснява трудността на откриването.

Но все още не знаем дали самите неутрино са античастици. Не знаем дали получават масата си от много слабото свързване на Хигс бозона, или я получават чрез някакъв друг механизъм. И ние не знаем, може би секторът на неутрините е много по-сложен, отколкото си мислим, със стерилни или тежки неутрино, дебнещи в тъмното.

Атоми и други аномалии

Във физиката на елементарните частици, освен модните неутрино, има и други, по-малко известни области на изследване, от които "новата физика" може да блесне. Учените, например, наскоро предложиха нов тип субатомни частици, за да обяснят енигматичните разпад на каон (5), специален случай на мезонна частица, състояща се от един кварк i един търговец на антики. Когато каоновите частици се разпадат, малка част от тях претърпяват промени, които изненадаха учените. Стилът на това разпадане може да показва нов тип частици или нова физическа сила в действие. Това е извън обхвата на Стандартния модел.

Има още експерименти за намиране на пропуски в стандартния модел. Те включват търсенето на мюона g-2. Преди почти сто години физикът Пол Дирак предсказва магнитния момент на електрона, използвайки g, число, което определя спиновите свойства на частица. Тогава измерванията показаха, че "g" е малко по-различно от 2 и физиците започнаха да използват разликата между действителната стойност на "g" и 2 за изследване на вътрешната структура на субатомните частици и законите на физиката като цяло. През 1959 г. CERN в Женева, Швейцария, провежда първия експеримент, който измерва стойността на g-2 на субатомна частица, наречена мюон, свързана с електрон, но нестабилна и 207 пъти по-тежка от елементарна частица.

Националната лаборатория Брукхейвън в Ню Йорк стартира свой собствен експеримент и публикува резултатите от своя експеримент g-2 през 2004 г. Измерването не беше това, което стандартният модел прогнозира. Експериментът обаче не събра достатъчно данни за статистически анализ, за ​​да докаже категорично, че измерената стойност наистина е различна, а не просто статистическа флуктуация. Други изследователски центрове сега провеждат нови експерименти с g-2 и вероятно скоро ще разберем резултатите.

Има нещо по-интригуващо от това Каон аномалии i мюон. През 2015 г. експеримент върху разпадането на берилий 8Be показа аномалия. Учени в Унгария използват техния детектор. Между другото обаче те откриха или смятаха, че са открили, което предполага съществуването на пета фундаментална сила на природата.

Физици от Калифорнийския университет се заинтересуваха от изследването. Те предполагат, че явлението се обади атомна аномалия, е причинена от напълно нова частица, която е трябвало да носи петата сила на природата. Нарича се X17, тъй като се смята, че съответстващата му маса е почти 17 милиона електрон волта. Това е 30 пъти масата на електрона, но по-малко от масата на протона. А начинът, по който X17 се държи с протон, е една от най-странните му характеристики – тоест той изобщо не взаимодейства с протон. Вместо това, той взаимодейства с отрицателно зареден електрон или неутрон, който изобщо няма заряд. Това затруднява вписването на частицата X17 в настоящия ни стандартен модел. Бозоните са свързани със силите. Глуоните са свързани със силната сила, бозоните със слабата сила, а фотоните с електромагнетизма. Има дори хипотетичен бозон за гравитацията, наречен гравитон. Като бозон, X17 ще носи собствена сила, като тази, която досега беше загадка за нас и би могла да бъде.

Вселената и предпочитаната от нея посока?

В статия, публикувана този април в списанието Science Advances, учени от Университета на Нов Южен Уелс в Сидни съобщават, че новите измервания на светлината, излъчвана от квазар на 13 милиарда светлинни години от нас, потвърждават предишни проучвания, които откриват малки вариации във фината постоянна структура. на вселената. Професор Джон Уеб от UNSW (6) обяснява, че константата на фината структура "е величина, която физиците използват като мярка за електромагнитната сила." електромагнитна сила поддържа електрони около ядрата във всеки атом във Вселената. Без него цялата материя би се разпаднала. Доскоро се смяташе за постоянна сила във времето и пространството. Но в изследванията си през последните две десетилетия професор Уеб е забелязал аномалия в твърдата фина структура, в която електромагнитната сила, измерена в една избрана посока във Вселената, винаги изглежда малко по-различна.

"" обяснява Уеб. Несъответствията се появиха не в измерванията на австралийския екип, а в сравняването на техните резултати с много други измервания на квазарната светлина от други учени.

“, казва професор Уеб. "". Според него резултатите изглежда предполагат, че може да има предпочитана посока във Вселената. С други думи, Вселената в известен смисъл би имала диполна структура.

"" Казва ученият за отбелязаните аномалии.

Това е още нещо: вместо това, което се смяташе за произволно разпространение на галактики, квазари, газови облаци и планети с живот, Вселената изведнъж има северен и южен аналог. Въпреки това професор Уеб е готов да признае, че резултатите от измерванията на учени, извършени на различни етапи с помощта на различни технологии и от различни места на Земята, всъщност са огромно съвпадение.

Уеб посочва, че ако има насоченост във Вселената и ако електромагнетизмът се окаже малко по-различен в определени региони на космоса, най-фундаменталните концепции зад голяма част от съвременната физика ще трябва да бъдат преразгледани. "", говори. Моделът се основава на теорията на Айнщайн за гравитацията, която изрично предполага постоянството на законите на природата. И ако не, тогава ... мисълта за преобръщане на цялата сграда на физиката е спираща дъха.