Новая фізіка прасвечвае са шматлікіх месцаў

Любыя магчымыя змены, якія мы хацелі б унесці ў Стандартную мадэль фізікі (1) ці агульную тэорыю адноснасці, дзве нашы лепшыя (хоць і несумяшчальныя) тэорыі Сусвету, ужо вельмі абмежаваныя. Іншымі словамі, вы не можаце змяніць шмат што, не падарваўшы цэлае.

Справа ў тым, што ёсць таксама вынікі і з'явы, якія немагчыма растлумачыць на аснове вядомых нам мадэляў. Дык ці павінны мы старацца з усіх сіл, каб усё невытлумачальнае ці не якое ўкладваецца любой цаной у адпаведнасць з існуючымі тэорыямі, ці нам варта шукаць новыя? Гэта адно з фундаментальных пытанняў сучаснай фізікі.

Стандартная мадэль фізікі элементарных часціц паспяхова растлумачыла ўсе вядомыя і выяўленыя ўзаемадзеянні паміж часціцамі, якія калі-небудзь назіраліся. Сусвет складаецца з кваркаў, лептонаў і калібровачнае базоны, якія перадаюць тры з чатырох фундаментальных сіл у прыродзе і надаюць часціцам масу спакою. Існуе таксама агульная тэорыя адноснасці, наша, нажаль, не квантавая тэорыя гравітацыі, якая апісвае ўзаемасувязь паміж прасторай-часам, матэрыяй і энергіяй у Сусвеце.

Цяжкасць выхаду за межы гэтых двух тэорый заключаецца ў тым, што калі вы паспрабуеце змяніць іх, увёўшы новыя элементы, паняцці і велічыні, вы атрымаеце вынікі, якія супярэчаць вымярэнням і назіранням, якія ў нас ужо ёсць. Таксама варта памятаць, што калі вы хочаце выйсці за рамкі нашых цяперашніх навуковых рамак, цяжар доказу велізарна. З іншага боку, цяжка не чакаць гэтак шматлікага ад таго, хто падрывае правераныя і правераныя дзесяцігоддзямі мадэлі.

Перад абліччам такіх патрабаванняў нядзіўна, што ці наўрад хтосьці спрабуе цалкам кінуць выклік існуючай парадыгме ў фізіцы. А калі і сустракаецца, то ўвогуле не ўспрымаецца ўсур'ёз, бо хутка спатыкаецца на простых праверках. Так што, калі мы і бачым патэнцыйныя прабоіны, то гэта проста святлоадбівальнікі, якія сігналізуюць аб тым, што недзе нешта свеціць, але няма яснасці, ці варта туды наогул ісці.

Вядомая фізіка не можа справіцца з сусветам

Прыклады мігацення гэтага "цалкам новага і іншага"? Ну, напрыклад, назіранні за хуткасцю аддачы, якія здаюцца несумяшчальнымі з сцвярджэннем, што Сусвет запоўнены толькі часціцамі Стандартнай мадэлі і падпарадкоўваецца агульнай тэорыі адноснасці. Мы ведаем, што асобных крыніц гравітацыі, галактык, навал галактык і нават вялікага касмічнага павуціння недастаткова для тлумачэння гэтай з'явы, хіба што. Мы ведаем, што, хоць паводле Стандартнай мадэлі матэрыя і антыматэрыя павінны стварацца і знішчацца ў роўных колькасцях, мы жывем у Сусвеце, які складаецца ў асноўным з матэрыі з невялікай колькасцю антыматэрыі. Іншымі словамі, мы бачым, што "вядомая фізіка" не можа растлумачыць за ўсё, што мы бачым у Сусвеце.

Многія эксперыменты далі нечаканыя вынікі, якія, калі іх праверыць на больш высокім узроўні, маглі б стаць рэвалюцыйнымі. Нават так званы Атамная анамалія, якая паказвае на існаванне часціц, можа быць эксперыментальнай памылкай, але таксама можа быць прыкметай выхаду за рамкі Стандартнай мадэлі. Розныя метады вымярэння Сусвету даюць розныя значэнні хуткасці яго пашырэння - праблема, якую мы падрабязна разгледзелі ў адным з нядаўніх выпускаў МТ.

Аднак ні адна з гэтых анамалій не дае дастаткова пераканаўчых вынікаў, каб лічыцца бясспрэчнай прыкметай новай фізікі. Любы з іх ці ўсе яны могуць быць проста статыстычнымі флуктуацыямі або няправільна адкалібраваным прыборам. Многія з іх могуць паказваць на новую фізіку, але іх гэтак жа лёгка можна растлумачыць з дапамогай вядомых часціц і з'яў у кантэксце агульнай тэорыі рэлятыўнасці і Стандартнай мадэлі.

Мы плануем эксперыментаваць, спадзеючыся на больш дакладныя вынікі і рэкамендацыі. Магчыма, мы хутка ўбачым, ці мае цёмная энергія пастаянную велічыню. На аснове запланаваных даследаванняў галактык, якія праводзяцца абсерваторыяй Веры Рубін, і даных аб далёкіх звышновых, якія будуць прадастаўлены ў будучыні. тэлескоп Нэнсі Грэйс, Раней WFIRST, мы павінны высветліць, ці эвалюцыянуе цёмная энергія ў часе з дакладнасцю да 1%. Калі гэта так, то нашу "стандартную" касмалагічную мадэль давядзецца змяніць. Не выключана, што антэна касмічнага лазернага інтэрфераметрыі (LISA) у плане таксама паднясе нам сюрпрызы. Карацей кажучы, мы разлічваем на наглядальныя апараты і эксперыменты, якія плануем.

Мы таксама ўсё яшчэ працуем у галіне фізікі элементарных часціц, спадзеючыся знайсці з'явы за межамі Мадэлі, напрыклад, больш дакладнае вымярэнне магнітных момантаў электрона і мюона - калі яны не адпавядаюць, з'яўляецца новая фізіка. Мы працуем, каб высветліць, як яны вагаюцца нейтрын - тут таксама прасвечвае новая фізіка. І калі мы пабудуем дакладны электрон-пазітронны калайдэр, кругавой або лінейны (2), мы зможам выявіць рэчы за межамі Стандартнай мадэлі, якія пакуль не можа выявіць БАК. У свеце фізікі даўно прапаноўвалася буйнейшая версія ВАК з акружнасцю да 100 км. Гэта дало б больш высокія энергіі сутыкненняў, што, па меркаванні шматлікіх фізікаў, нарэшце, стала б сігналам аб новых з'явах. Аднак гэта надзвычай дарагое ўкладанне, і будаўніцтва гіганта толькі па прынцыпе - "давайце пабудуем і паглядзім, што ён нам пакажа" выклікае масу сумневаў.

2. Лінейны лептонны калайдэр - візуалізацыя

Ёсць два тыпы падыходу да праблем у фізічнай навуцы. Першы - складаны падыход, Які заключаецца ў вузкай задуме эксперыменту або абсерваторыі для вырашэння канкрэтнай задачы. Другі падыход называецца метадам грубай сілы.які распрацоўвае універсальны, які пашырае межы эксперымент або абсерваторыю для даследавання Сусвету зусім па-новаму, чым нашы папярэднія падыходы. Першы лепш арыентуецца ў Стандартнай мадэлі. Другі дазваляе знайсці сляды нечага большага, але, на жаль, гэта нешта дакладна не вызначана. Такім чынам, абодва метады маюць свае недахопы.

Шукайце так званы Да другой катэгорыі варта аднесці Тэорыю Усяго (ТВА), святы Грааль фізікі, паколькі часцей за ўсё справа зводзіцца да пошуку ўсё большых энергій (3), пры якіх сілы прыроды ў канчатковым рахунку аб'ядноўваюцца ў адно ўзаемадзеянне.

3. Энергіі, неабходныя для гіпатэтычнага аб'яднання ўзаемадзеянняў

нейтрына Нісфорна

У апошні час навука стала ўсё больш і больш засяроджвацца на больш цікавых галінах, такіх як даследаванні нейтрына, пра якія мы нядаўна апублікавалі шырокую справаздачу ў МТ. У лютым 2020 года ў "Астрафізічным часопісе" выйшла публікацыя аб адкрыцці ў Антарктыдзе нейтрына высокіх энергій невядомага паходжання. Апроч вядомага эксперыменту, на марозным кантыненце праводзіліся таксама даследаванні пад умоўнай назвай АНІТА (), якія складаюцца ў выпуску паветранага шара з датчыкам радыёхвалі.

Абодва і ANITA былі распрацаваны для пошуку радыёхваль ад нейтрына высокай энергіі, якія сутыкаюцца з цвёрдым рэчывам, з якога складаецца лёд. Аві Леб, старшыня Гарвардскага аддзялення астраноміі, патлумачыў на сайце Салона: «Падзеі, выяўленыя ANITA, безумоўна, здаюцца анамаліяй, таму што іх нельга растлумачыць як нейтрына з астрафізічных крыніц. (…) Гэта магла быць нейкая часціца, якая слабейшая за нейтрына ўзаемадзейнічае са звычайным рэчывам. Мы падазраём, што такія часціцы існуюць як цёмная матэрыя. Але што робіць мерапрыемствы ANITA такімі энергічнымі?».

Нейтрына - адзіныя вядомыя часціцы, якія парушылі Стандартную мадэль. Паводле Стандартнай мадэлі элементарных часціц, мы павінны мець тры тыпы нейтрына (электронныя, мюонныя і таў) і тры тыпы антынейтрына, і пасля іх утварэння яны павінны быць стабільнымі і нязменнымі ў сваіх уласцівасцях. З 60-х гадоў, калі з'явіліся першыя разлікі і вымярэнні нейтрына, якія вырабляюцца Сонцам, мы зразумелі, што праблема існуе. Мы ведалі, колькі электронных нейтрына ўтварылася ў сонечнае ядро. Але калі мы вымералі, колькі прыбыло, мы ўбачылі толькі траціну ад прадказанага ліку.

Або нешта не так з нашымі дэтэктарамі, або нешта не так з нашай мадэллю Сонца, або нешта не так з самімі нейтрына. Эксперыменты на рэактарах хутка абверглі меркаванне аб тым, што з нашымі дэтэктарамі нешта не так (4). Яны працавалі так, як чакалася, і іх прадукцыйнасць была вельмі добра ацэнена. Выяўленыя намі нейтрына рэгістраваліся прапарцыйна колькасці прыбылых нейтрына. На працягу дзесяцігоддзяў многія астраномы сцвярджалі, што наша сонечная мадэль памылковая.

4. Выявы нейтрынных падзей у чаранкоўскім выпраменьванні ад дэтэктара Супер Каміякандэ

Вядома, існавала і іншая экзатычная магчымасць, якая, калі яна апынецца дакладнай, зменіць наша ўяўленне пра Сусвет у параўнанні з тым, што прадказвала Стандартная мадэль. Ідэя складаецца ў тым, што тры вядомых нам тыпу нейтрына насамрэч маюць масу, а не посны, І што яны могуць змешвацца (вагацца) для змены густаў, калі ў іх дастаткова энергіі. Калі нейтрына запускаецца электронным спосабам, яно можа змяніцца па шляху да мюонны i таоныале гэта магчыма толькі тады, калі яно мае масу. Навукоўцаў хвалюе праблема права-і леварукасці нейтрына. Бо калі вы не можаце адрозніць яго, вы не можаце адрозніць, часціца гэта ці антычасціца.

Ці можа нейтрына быць уласнай антычасціцай? Не ў адпаведнасці са звычайнай Стандартнай мадэллю. Ферміёну агульным выпадку яны не павінны быць сваімі антычасціцамі. Ферміён - гэта любая часціца з кручэннем ± ½. У гэтую катэгорыю ўваходзяць усе кваркі і лептоны, у тым ліку нейтрына. Аднак існуе адмысловы тып ферміёнаў, які пакуль існуе толькі ў тэорыі - маяранаўскі ферміён, які з'яўляецца ўласнай антычасціцай. Калі б ён існаваў, магло б адбывацца нешта асаблівае… нейтрынны свабодны падвойны бэта-распад. І вось шанц для эксперыментатараў, якія даўно шукалі такі разрыў.

Ва ўсіх назіраных працэсах з удзелам нейтрына гэтыя часціцы праяўляюць уласцівасць, якое фізікі называюць леварукасцю. Правых нейтрына, якія з'яўляюцца найболей натуральным пашырэннем Стандартнай мадэлі, нідзе не відаць. Усе астатнія часціцы MS маюць правабаковую версію, а нейтрына – не. Чаму? Апошні, надзвычай усебаковы аналіз, праведзены міжнароднай групай фізікаў, у тым ліку Інстытутам ядзернай фізікі Польскай акадэміі навук (IFJ PAN) у Кракаве, правёў даследаванні па гэтай праблеме. Навукоўцы лічаць, што адсутнасць назірання правых нейтрына можа даказаць, што яны з'яўляюцца маёранаўскімі ферміёнамі. Калі б яны былі, то іх правабаковая версія надзвычай масіўная, што тлумачыць складанасць выяўлення.

І ўсё ж мы да гэтага часу не ведаем, ці з'яўляюцца нейтрына антычасціцамі самі па сабе. Мы не ведаем, ці атрымліваюць яны сваю масу з-за вельмі слабой сувязі базона Хігса або атрымліваюць яе з дапамогай нейкага іншага механізму. І мы не ведаем, можа быць, сектар нейтрына нашмат складаней, чым мы думаем, са стэрыльнымі ці цяжкімі нейтрына, якія хаваюцца ў цемры.

Атамкі і іншыя анамаліі

У фізіцы элементарных часціц, акрамя модных нейтрына, ёсць і іншыя, менш вядомыя вобласці даследаванняў, з якіх можа прасвечвацца "новая фізіка". Навукоўцы, напрыклад, нядаўна прапанавалі новы тып субатамных часціц для тлумачэння загадкавага. распад каона (5), прыватны выпадак мезоннай часціцы, якая складаецца з адзін кварк i адзін антыквар. Калі часціцы каона распадаюцца, невялікая іх частка перажывае змены, якія здзівілі навукоўцаў. Стыль гэтага распаду можа паказваць на новы тып часціцы ці новую фізічную сілу ў дзеянні. Гэта выходзіць за рамкі стандартнай мадэлі.

Ёсць больш эксперыментаў па пошуку прабелаў у Стандартнай мадэлі. Да іх адносіцца пошук мюона g-2. Амаль сто гадоў таму фізік Поль Дзірак прадказаў магнітны момант электрона, выкарыстоўваючы велічыню g - лік, якое вызначае спінавыя ўласцівасці часціцы. Затым вымярэнні паказалі, што «g» крыху адрозніваецца ад 2, і фізікі сталі выкарыстоўваць розніцу паміж сапраўдным значэннем «g» і 2 для вывучэння ўнутранай будовы субатамных часціц і законаў фізікі ў цэлым. У 1959 годзе ЦЕРН у Жэневе, Швейцарыя, правёў першы эксперымент, у якім было вымерана значэнне g-2 субатамнай часціцы, званай мюонам, звязанай з электронам, але нестабільнай і ў 207 разоў цяжэйшай элементарнай часціцай.

Брукхейвенская нацыянальная лабараторыя ў Нью-Йорку пачала ўласны эксперымент і апублікавала вынікі свайго эксперыменту з g-2 у 2004 годзе. Вымярэнне было не такім, як прадказвала Стандартная мадэль. Аднак падчас эксперыменту не было сабрана дастаткова дадзеных для статыстычнага аналізу, каб канчаткова даказаць, што вымеранае значэнне сапраўды адрознівалася, а не было проста статыстычнай флуктуацыяй. Іншыя даследчыя цэнтры зараз праводзяць новыя эксперыменты з g-2, і мы, верагодна, хутка даведаемся аб выніках.

Ёсць сёе-тое больш інтрыгуючае, чым гэта Каонавы анамаліі i мюонны. У 2015 годзе эксперымент па распадзе берылію 8Be паказаў анамалію. Навукоўцы ў Венгрыі выкарыстоўваюць свой дэтэктар. Аднак, між іншым, яны выявілі ці думалі, што выявілі, што мяркуе існаванне пятай фундаментальнай сілы прыроды.

Даследаваннем зацікавіліся фізікі Каліфарнійскага ўніверсітэта. Яны выказалі здагадку, што зьява, названая анамалія атамкі, была выклікана зусім новай часціцай, якая павінна была несці пятую сілу прыроды. Ён называецца X17, таму што лічыцца, што яго адпаведная маса складае амаль 17 мільёнаў электрон-вольт. Гэта ў 30 разоў больш за масу электрона, але менш за масу пратона. І тое, як X17 паводзіць сябе з пратонам, з'яўляецца адной з яго самых дзіўных асаблівасцяў - гэта значыць ён наогул не ўзаемадзейнічае з пратонам. Замест гэтага ён узаемадзейнічае з адмоўна зараджаным электронам ці нейтронам, які наогул не мае зарада. Гэта абцяжарвае ўпісванне часціцы X17 у нашу бягучую Стандартную мадэль. Базоны звязаны з сіламі. Глюоны звязаны з моцным узаемадзеяннем, базоны і слабое ўзаемадзеянне, а фатоны з электрамагнетызмам. Існуе нават гіпатэтычны базон для гравітацыі, званы гравітонам. Як базон, X17 будзе несці сваю ўласную сілу, напрыклад тую, якая да гэтага часу заставалася для нас загадкай і магла б быць.

Сусвет і яго пераважнае напрамак?

У артыкуле, апублікаваным у красавіку гэтага года ў часопісе Science Advances, навукоўцы з Універсітэта Новага Паўднёвага Валіі ў Сіднэі паведамілі, што новыя вымярэння святла, выпраменьванага квазарам, выдаленым ад нас на 13 мільярдаў светлавых гадоў, пацвярджаюць папярэднія даследаванні, якія выявілі невялікія структура Сусвету. Прафесар Джон Уэб з UNSW (6) тлумачыць, што сталая тонкай структуры "з'яўляецца велічынёй, якую фізікі выкарыстоўваюць у якасці меры электрамагнітнай сілы". Электрамагнітная сіла падтрымлівае электроны вакол ядраў у кожным атаме Сусвету. Без яго ўся матэрыя развалілася б. Да нядаўняга часу яна лічылася сталай сілай у часе і прасторы. Але ў сваіх даследаваннях за апошнія два дзесяцігоддзі прафесар Уэб заўважыў анамалію ў цвёрдай тонкай структуры, у якой электрамагнітная сіла, вымераная ў адным абраным кірунку ў Сусвеце, заўсёды здаецца трохі адрознай.

«» Тлумачыць Уэб. Неадпаведнасці з'явіліся не ў вымярэннях аўстралійскай каманды, а ў параўнанні іх вынікаў з многімі іншымі вымярэннямі святла квазараў іншымі вучонымі.

«» - Кажа прафесар Уэб. «». На яго думку, вынікі, здаецца, мяркуюць, што ў Сусвеце можа быць пераважнае напрамак. Іншымі словамі, Сусвет у нейкім сэнсе меў бы дыпольную структуру.

«Кажа навуковец аб адзначаных анамаліях.

Гэта яшчэ адно: замест таго, што лічылася выпадковым распаўсюджваннем галактык, квазараў, газавых аблокаў і планет з жыццём, у Сусвеце раптам з'яўляецца паўночны і паўднёвы аналаг. Прафесар Уэб усё ж гатовы прызнаць, што вынікі вымярэнняў навукоўцаў, праведзеных на розных этапах з выкарыстаннем розных тэхналогій і з розных месцаў Зямлі, насамрэч з'яўляюцца вялізным супадзеннем.

Уэб паказвае, што калі ў Сусвеце існуе скіраванасць і калі электрамагнетызм апынецца трохі іншым у вызначаных абласцях космасу, самыя фундаментальныя канцэпцыі, якія ляжаць у аснове большай часткі сучаснай фізікі, неабходна будзе перагледзець. “”, кажа. Мадэль заснавана на тэорыі гравітацыі Эйнштэйна, якая відавочна мяркуе сталасць законаў прыроды. А калі не, то… дух захоплівае ад думкі перавярнуць увесь будынак фізікі.