Ný eðlisfræði skín í gegn víða að

Allar mögulegar breytingar sem við viljum gera á stöðluðu eðlisfræðilíkani (1) eða almennri afstæðiskenningu, tvær bestu (þó ósamrýmanlegar) kenningar okkar um alheiminn, eru nú þegar mjög takmarkaðar. Með öðrum orðum, þú getur ekki breytt miklu án þess að grafa undan heildinni.

Staðreyndin er sú að það eru líka niðurstöður og fyrirbæri sem ekki er hægt að útskýra út frá þeim líkönum sem við þekkjum. Svo ættum við að leggja okkur fram um að gera allt óútskýranlegt eða ósamræmi hvað sem það kostar í samræmi við núverandi kenningar, eða ættum við að leita að nýjum? Þetta er ein af grundvallarspurningum nútíma eðlisfræði.

Staðlað líkan agnaeðlisfræði hefur með góðum árangri útskýrt öll þekkt og uppgötvað víxlverkun milli agna sem nokkurn tíma hefur sést. Alheimurinn er gerður úr kvarkar, leptonov og mælibósón, sem senda þrjá af fjórum grundvallarkraftum náttúrunnar og gefa ögnum hvíldarmassa þeirra. Það er líka til almenn afstæðiskenning, því miður ekki skammtafræðikenning okkar um þyngdarafl, sem lýsir sambandi milli tímarúms, efnis og orku í alheiminum.

Erfiðleikarnir við að fara út fyrir þessar tvær kenningar er að ef þú reynir að breyta þeim með því að kynna nýja þætti, hugtök og stærðir færðu niðurstöður sem stangast á við mælingar og athuganir sem við höfum þegar. Það er líka þess virði að muna að ef þú vilt fara út fyrir núverandi vísindaramma okkar er sönnunarbyrðin gríðarleg. Á hinn bóginn er erfitt að búast við svona miklu af einhverjum sem grefur undan módelum sem hafa verið prófaðar og prófaðar í áratugi.

Andspænis slíkum kröfum kemur það ekki á óvart að varla nokkur reynir að véfengja algjörlega núverandi hugmyndafræði í eðlisfræði. Og ef það gerist er það alls ekki tekið alvarlega, þar sem það lendir fljótt í einföldum ávísunum. Þannig að ef við sjáum hugsanlegar holur þá eru þetta bara endurskinsmerki sem gefa til kynna að eitthvað skíni einhvers staðar, en það er ekki ljóst hvort það sé þess virði að fara þangað.

Þekkt eðlisfræði ræður ekki við alheiminn

Dæmi um ljóma þessa „algjörlega nýja og öðruvísi“? Jæja, til dæmis athuganir á hraða hrökkva, sem virðast í ósamræmi við fullyrðinguna um að alheimurinn sé aðeins fylltur af ögnum af staðallíkaninu og hlýðir almennri afstæðiskenningu. Við vitum að einstakar uppsprettur þyngdaraflsins, vetrarbrautir, vetrarbrautaþyrpingar og jafnvel geimvefurinn mikli duga ekki til að skýra þetta fyrirbæri, ef til vill. Við vitum að þó að staðallíkanið segi að efni og andefni eigi að búa til og eyða í jöfnu magni, þá lifum við í alheimi sem er að mestu leyti samsettur úr efni með lítið magn af andefni. Með öðrum orðum, við sjáum að "þekkt eðlisfræði" getur ekki útskýrt allt sem við sjáum í alheiminum.

Margar tilraunir hafa skilað óvæntum niðurstöðum sem gætu orðið byltingarkenndar ef þær eru prófaðar á hærra stigi. Jafnvel hið svokallaða atómafbrigði sem gefur til kynna tilvist agna getur verið tilraunavilla, en það getur líka verið merki um að fara út fyrir staðlaða líkanið. Mismunandi aðferðir við að mæla alheiminn gefa mismunandi gildi fyrir útþensluhraða hans - vandamál sem við skoðuðum ítarlega í einu af nýlegum tölublöðum MT.

Hins vegar gefur ekkert af þessum frávikum nægilega sannfærandi niðurstöður til að geta talist óumdeilanlega merki um nýja eðlisfræði. Einhver eða allt af þessu getur einfaldlega verið tölfræðilegar sveiflur eða rangt kvarðað tæki. Margar þeirra kunna að benda á nýja eðlisfræði, en þær má alveg eins skýra með því að nota þekktar agnir og fyrirbæri í samhengi við almenna afstæðisfræði og staðlaða líkanið.

Við ætlum að gera tilraunir í von um skýrari niðurstöður og ráðleggingar. Við gætum fljótlega séð hvort dimm orka hefur stöðugt gildi. Byggt á fyrirhuguðum vetrarbrautarannsóknum Vera Rubin stjörnustöðvarinnar og gögnum um fjarlægar sprengistjörnur sem verða aðgengilegar í framtíðinni. nancy grace sjónauki, áður WFIRST, þurfum við að komast að því hvort dökk orka þróast með tímanum í innan við 1%. Ef svo er, þá verður að breyta „stöðluðu“ heimsfræðilegu líkani okkar. Hugsanlegt er að geimleysir interferometer loftnetið (LISA) miðað við áætlun muni líka koma okkur á óvart. Í stuttu máli erum við að treysta á athugunartækin og tilraunirnar sem við erum að skipuleggja.

Við erum líka enn að vinna á sviði eðlisfræði agna, í von um að finna fyrirbæri utan líkansins, eins og nákvæmari mælingu á segulmagnaðir augnablikum rafeindarinnar og múonsins - ef þau eru ekki sammála kemur ný eðlisfræði í ljós. Við erum að vinna að því að finna út hvernig þær sveiflast neutrino – hér skín líka í gegn ný eðlisfræði. Og ef við smíðum nákvæman rafeinda-póstrónuhraðanda, hringlaga eða línulegan (2), getum við greint hluti umfram staðlaða líkanið sem LHC getur ekki greint enn. Í heimi eðlisfræðinnar hefur lengi verið lögð til stærri útgáfa af LHC með allt að 100 km ummál. Þetta myndi gefa hærri árekstraorku, sem að sögn margra eðlisfræðinga myndi loksins gefa merki um ný fyrirbæri. Hins vegar er þetta ákaflega dýr fjárfesting og bygging risa eingöngu á grundvelli prinsippsins - "byggjum það og sjáum hvað það mun sýna okkur" vekur miklar efasemdir.

2. Línuleg lepton collider - sjón

Það eru tvenns konar nálgun á vandamálum í raunvísindum. Sú fyrsta er flókin nálgun, sem felst í þröngri hönnun tilraunar eða stjörnustöðvar til að leysa tiltekið vandamál. Önnur aðferðin er kölluð brute force aðferðin.sem þróar alhliða, landamæratilraun eða stjörnustöð til að kanna alheiminn á alveg nýjan hátt en fyrri nálganir okkar. Hið fyrra er betur stillt í staðlaða líkanið. Annað gerir þér kleift að finna ummerki um eitthvað meira, en því miður er þetta eitthvað ekki nákvæmlega skilgreint. Þannig hafa báðar aðferðirnar sína galla.

Leitaðu að hinni svokölluðu kenningu um allt (TUT), hinn heilaga gral eðlisfræðinnar, ætti að vera settur í annan flokk, þar sem oftar en ekki kemur að því að finna hærri og hærri orku (3), þar sem kraftar náttúran sameinast að lokum í eitt samspil.

3. Orka sem þarf fyrir ímyndaða sameiningu víxlverkana

Nisforn neutrino

Undanfarið hafa vísindi í auknum mæli einbeitt sér að áhugaverðari sviðum, svo sem rannsóknum á nifteindum, sem við birtum nýlega viðamikla skýrslu um í MT. Í febrúar 2020 gaf Astrophysical Journal út rit um uppgötvun háorku nifteinda af óþekktum uppruna á Suðurskautslandinu. Auk hinnar þekktu tilraunar voru einnig gerðar rannsóknir á frosthörku heimsálfunni undir kóðanafninu ANITA (), sem fólst í því að sleppa blöðru með skynjara. útvarpsbylgjur.

Bæði og ANITA voru hönnuð til að leita að útvarpsbylgjum frá háorku nifteindum sem rekast á fast efni sem myndar ís. Avi Loeb, formaður stjörnufræðideildar Harvard, útskýrði á vefsíðu Salon: „Atburðir ANITA virðast vissulega vera frávik vegna þess að ekki er hægt að útskýra þá sem daufkyrninga frá stjarneðlisfræðilegum uppruna. (...) Það gæti verið einhvers konar ögn sem hefur veikari samskipti en nifteind við venjulegt efni. Okkur grunar að slíkar agnir séu til sem hulduefni. En hvað gerir ANITA viðburði svona orkumikla?“

Neutrino eru einu þekktu agnirnar sem brjóta í bága við staðlaða líkanið. Samkvæmt stöðluðu líkani frumkorna verðum við að hafa þrjár tegundir af daufkyrningum (rafræn, múon og tau) og þrjár tegundir andneutrínóa og eftir myndun þeirra verða þeir að vera stöðugir og óbreyttir í eiginleikum. Frá því á sjöunda áratugnum, þegar fyrstu útreikningar og mælingar á nifteindum sem sólin framleiddi birtust, höfum við áttað okkur á því að það var vandamál. Við vissum hversu margar rafeindanefteindir mynduðust í sólarkjarna. En þegar við mældum hversu margir komu sáum við aðeins þriðjung af þeim fjölda sem spáð var.

Annað hvort er eitthvað athugavert við skynjarana okkar, eða eitthvað er athugavert við líkanið okkar af sólinni, eða eitthvað er að nifteindunum sjálfum. Tilraunir í kjarnaofnum afsannaðu fljótt þá hugmynd að eitthvað væri athugavert við skynjarana okkar (4). Þeir unnu eins og búist var við og frammistaða þeirra var mjög vel metin. Nifteindirnar sem við fundum voru skráðar í hlutfalli við fjölda þeirra sem komu. Í áratugi hafa margir stjörnufræðingar haldið því fram að sólarlíkanið okkar sé rangt.

4. Myndir af neutrino atburðum í Cherenkov geislun frá Super Kamiokande skynjaranum

Auðvitað var annar framandi möguleiki sem, ef satt er, myndi breyta skilningi okkar á alheiminum frá því sem Standard Model spáði. Hugmyndin er sú að þessar þrjár gerðir nifteinda sem við þekkjum hafi í raun massa, ekki halla, og að þeir geti blandað (sveiflast) til að breyta bragði ef þeir hafa næga orku. Ef nifteindið er rafrænt kveikt getur það breyst á leiðinni til múon i taonoven þetta er aðeins hægt þegar það hefur massa. Vísindamenn hafa áhyggjur af vandamáli hægri og örvhentra nifteinda. Því að ef þú getur ekki greint það, geturðu ekki greint hvort það er ögn eða mótefni.

Getur nitrino verið eigin mótefni? Ekki samkvæmt venjulegu Standard Model. Fermionsalmennt ættu þær ekki að vera þeirra eigin andagnir. Fermion er hvaða ögn sem er með snúning ± XNUMX/XNUMX. Þessi flokkur nær yfir alla kvarka og leptóna, þar með talið nitrino. Hins vegar er til sérstök tegund af fermjónum, sem enn sem komið er, er aðeins til í orði - Majorana fermion, sem er eigin andagn. Ef það væri til gæti eitthvað sérstakt verið að gerast... neutrino laus tvöföld beta rotnun. Og hér er tækifæri fyrir tilraunamenn sem hafa lengi verið að leita að slíku bili.

Í öllum ferlum sem fylgst hafa með nifteindum, sýna þessar agnir eiginleika sem eðlisfræðingar kalla örvhent. Réthentir nitrinóar, sem eru eðlilegasta framlenging staðallíkansins, eru hvergi sjáanlegar. Allar aðrar MS agnir eru með rétthenta útgáfu, en nifteindir ekki. Hvers vegna? Nýjasta, afar yfirgripsmikla greining alþjóðlegs teymis eðlisfræðinga, þar á meðal kjarnaeðlisfræðistofnunar Pólsku vísindaakademíunnar (IFJ PAN) í Krakow, hefur gert rannsóknir á þessu máli. Vísindamenn telja að skortur á athugun á rétthentum neutrinoum gæti sannað að um Majorana fermions sé að ræða. Ef þeir væru það, þá er hægri hlið útgáfan þeirra afar stórfelld, sem útskýrir erfiðleikana við að greina.

Samt vitum við ekki hvort nifteindir eru sjálfir mótagnir. Við vitum ekki hvort þeir fá massa sinn frá mjög veikri bindingu Higgs bósonsins, eða hvort þeir fá það í gegnum einhvern annan aðferð. Og við vitum það ekki, kannski er nifteindargeirinn miklu flóknari en við höldum, þar sem dauðhreinsuð eða þung nitrin leynast í myrkrinu.

Atóm og önnur frávik

Í frumeindareðlisfræði eru, fyrir utan tísku nitrinóin, önnur, minna þekkt rannsóknarsvið sem „ný eðlisfræði“ getur skínað í gegn. Vísindamenn, til dæmis, hafa nýlega lagt fram nýja tegund af subatomic ögnum til að útskýra ráðgáta upplausn sem (5), sérstakt tilfelli af meson ögn sem samanstendur af einn kvarki i einn forngripasali. Þegar kaon agnir rotna verður lítið brot þeirra undir breytingum sem komu vísindamönnum á óvart. Stíll þessarar rotnunar gæti bent til nýrrar tegundar agna eða nýtt líkamlegt afl að verki. Þetta er utan gildissviðs staðlaða líkansins.

Það eru fleiri tilraunir til að finna eyður í staðlaða líkaninu. Þar á meðal er leitin að g-2 múoninu. Fyrir tæpum hundrað árum spáði eðlisfræðingurinn Paul Dirac fyrir um segulmagnið í rafeind með því að nota g, tölu sem ákvarðar snúningseiginleika agna. Þá sýndu mælingar að „g“ er aðeins frábrugðið 2 og eðlisfræðingar fóru að nota muninn á raungildi „g“ og 2 til að rannsaka innri byggingu undiratóma agna og lögmál eðlisfræðinnar almennt. Árið 1959 gerði CERN í Genf í Sviss fyrstu tilraunina sem mældi g-2 gildi subatomískrar ögn sem kallast múon, bundin rafeind en óstöðug og 207 sinnum þyngri en frumeindar.

Brookhaven National Laboratory í New York hóf sína eigin tilraun og birti niðurstöður úr g-2 tilraun sinni árið 2004. Mælingin var ekki það sem Standard Model spáði fyrir um. Tilraunin safnaði þó ekki nægum gögnum til að tölfræðilega greiningu til að sanna með óyggjandi hætti að mælda gildið væri örugglega öðruvísi og ekki bara tölfræðileg sveifla. Aðrar rannsóknastöðvar eru nú að gera nýjar tilraunir með g-2 og við munum væntanlega vita niðurstöðurnar fljótlega.

Það er eitthvað meira forvitnilegt en þetta Kaon frávik i múon. Árið 2015 sýndi tilraun á rotnun berylliums 8Be frávik. Vísindamenn í Ungverjalandi nota skynjarann ​​sinn. Hins vegar, tilviljun, uppgötvuðu þeir eða héldu að þeir hefðu uppgötvað, sem bendir til tilvistar fimmta grundvallarafl náttúrunnar.

Eðlisfræðingar frá Kaliforníuháskóla fengu áhuga á rannsókninni. Þeir lögðu til að fyrirbærið hringdi atómafbrigði, stafaði af alveg nýrri ögn, sem átti að bera fimmta kraft náttúrunnar. Það er kallað X17 vegna þess að samsvarandi massi hans er talinn vera næstum 17 milljónir rafeindavolta. Þetta er 30 sinnum massi rafeindarinnar en minni en massi róteindarinnar. Og hvernig X17 hegðar sér með róteind er einn af undarlegustu eiginleikum hennar - það er, hún hefur alls ekki samskipti við róteind. Þess í stað hefur það samskipti við neikvætt hlaðna rafeind eða nifteind, sem hefur enga hleðslu. Þetta gerir það erfitt að passa ögn X17 inn í núverandi staðlaða gerð okkar. Bosons tengjast herafla. Glúón eru tengd sterka kraftinum, bósón við veika kraftinn og ljóseindir við rafsegulmagn. Það er meira að segja til ímyndað bóson fyrir þyngdarafl sem kallast þyngdarafl. Sem bóson mun X17 bera sinn eigin kraft, eins og það sem hingað til hefur verið okkur ráðgáta og gæti verið.

Alheimurinn og valinn stefna hans?

Í grein sem birt var í apríl í tímaritinu Science Advances greindu vísindamenn við háskólann í Nýja Suður-Wales í Sydney frá því að nýjar mælingar á ljósi sem gefin er frá dulstirni í 13 milljarða ljósára fjarlægð staðfesta fyrri rannsóknir sem fundu lítil breytileika í fínu stöðugu uppbyggingu. alheimsins. Prófessor John Webb frá UNSW (6) útskýrir að fínbyggingarfastinn "er stærð sem eðlisfræðingar nota sem mælikvarða á rafsegulkraftinn." rafsegulkraftur viðheldur rafeindum í kringum kjarna í hverju atómi í alheiminum. Án þess myndi allt mál falla í sundur. Þar til nýlega var það talið stöðugt afl í tíma og rúmi. En í rannsóknum sínum undanfarna tvo áratugi hefur prófessor Webb tekið eftir fráviki í traustri fíngerðinni þar sem rafsegulkrafturinn, mældur í eina valda átt í alheiminum, virðist alltaf vera aðeins öðruvísi.

"" útskýrir Webb. Ósamræmið kom ekki fram í mælingum ástralska hópsins heldur í samanburði á niðurstöðum þeirra við margar aðrar mælingar annarra vísindamanna á dulstirni.

"" segir prófessor Webb. "". Að hans mati virðast niðurstöðurnar benda til þess að það gæti verið valinn stefna í alheiminum. Með öðrum orðum, alheimurinn hefði í einhverjum skilningi tvípólsbyggingu.

"" Segir vísindamaðurinn um merktu frávikin.

Þetta er eitt enn: í stað þess sem talið var að væri tilviljunarkennd útbreiðsla vetrarbrauta, dulstirna, gasskýja og pláneta með lífi, á alheimurinn skyndilega hliðstæðu í norður og suður. Prófessor Webb er engu að síður tilbúinn að viðurkenna að niðurstöður mælinga vísindamanna sem gerðar voru á mismunandi stigum með mismunandi tækni og frá mismunandi stöðum á jörðinni eru í raun gríðarleg tilviljun.

Webb bendir á að ef það er stefnumörkun í alheiminum og ef rafsegulmagn reynist aðeins öðruvísi á ákveðnum svæðum alheimsins, þá þurfi að endurskoða grundvallarhugtökin á bak við mikið af nútíma eðlisfræði. "", talar. Líkanið byggir á þyngdaraflskenningu Einsteins sem gerir beinlínis ráð fyrir stöðugleika náttúrulögmálanna. Og ef ekki, þá ... tilhugsunin um að snúa öllu byggingu eðlisfræðinnar er hrífandi.