Nová fyzika prosvítá z mnoha míst

Jakékoli možné změny, které bychom chtěli provést ve standardním modelu fyziky (1) nebo obecné teorii relativity, našich dvou nejlepších (ačkoli nekompatibilních) teoriích vesmíru, jsou již velmi omezené. Jinými slovy, nemůžete mnoho změnit, aniž byste podkopali celek.

Faktem je, že existují i ​​výsledky a jevy, které nelze vysvětlit na základě nám známých modelů. Měli bychom se tedy snažit, aby bylo vše za každou cenu nevysvětlitelné nebo nekonzistentní v souladu s existujícími teoriemi, nebo bychom měli hledat nové? To je jedna ze základních otázek moderní fyziky.

Standardní model částicové fyziky úspěšně vysvětlil všechny známé a objevené interakce mezi částicemi, které kdy byly pozorovány. Vesmír se skládá z kvarky, leptonov a kalibrační bosony, které přenášejí tři ze čtyř základních sil v přírodě a dávají částicím jejich klidovou hmotnost. Existuje i obecná teorie relativity, naše, bohužel, ne kvantová teorie gravitace, která popisuje vztah mezi časoprostorem, hmotou a energií ve vesmíru.

Potíž v překonání těchto dvou teorií spočívá v tom, že pokud se je pokusíte změnit zavedením nových prvků, konceptů a veličin, získáte výsledky, které jsou v rozporu s měřeními a pozorováními, která již máme. Rovněž stojí za to připomenout, že pokud chcete překročit náš současný vědecký rámec, důkazní břemeno je obrovské. Na druhou stranu je těžké nečekat tolik od někoho, kdo podkopává desítky let prověřené modely.

Tváří v tvář takovým požadavkům není divu, že se téměř nikdo nepokouší zcela zpochybnit existující paradigma ve fyzice. A pokud ano, nebere se to vůbec vážně, protože rychle narazí na jednoduché kontroly. Pokud tedy vidíme potenciální díry, tak to jsou jen reflektory, signalizující, že někde něco svítí, ale není jasné, zda má cenu tam vůbec chodit.

Známá fyzika si s vesmírem neporadí

Příklady třpytu tohoto „zcela nového a odlišného“? No, například pozorování rychlosti zpětného rázu, která se zdají být v rozporu s tvrzením, že vesmír je vyplněn pouze částicemi Standardního modelu a podřizuje se obecné teorii relativity. Víme, že jednotlivé zdroje gravitace, galaxie, kupy galaxií a dokonce ani velká kosmická pavučina k vysvětlení tohoto jevu možná nestačí. Víme, že ačkoli Standardní model uvádí, že hmota a antihmota by měly být vytvářeny a ničeny ve stejném množství, žijeme ve vesmíru složeném převážně z hmoty s malým množstvím antihmoty. Jinými slovy, vidíme, že „známá fyzika“ nemůže vysvětlit vše, co ve vesmíru vidíme.

Mnoho experimentů přineslo neočekávané výsledky, které by při testování na vyšší úrovni mohly být revoluční. I takzvaná atomová anomálie indikující existenci částic může být experimentální chybou, ale také může být známkou překročení standardního modelu. Různé metody měření vesmíru dávají různé hodnoty pro rychlost jeho rozpínání - problém, který jsme podrobně zvažovali v jednom z nedávných vydání MT.

Žádná z těchto anomálií však neposkytuje dostatečně přesvědčivé výsledky, aby mohly být považovány za nesporný znak nové fyziky. Některé nebo všechny z nich mohou být jednoduše statistické fluktuace nebo nesprávně zkalibrovaný přístroj. Mnohé z nich mohou poukazovat na novou fyziku, ale lze je stejně snadno vysvětlit pomocí známých částic a jevů v kontextu obecné teorie relativity a standardního modelu.

Plánujeme experimentovat a doufat v jasnější výsledky a doporučení. Možná brzy uvidíme, zda má temná energie konstantní hodnotu. Na základě plánovaných studií galaxií provedených observatoří Vera Rubin a údajů o vzdálených supernovách, které budou zpřístupněny v budoucnu. dalekohled Nancy Grace, dříve WFIRST, musíme zjistit, zda se temná energie vyvíjí s časem s přesností na 1 %. Pokud ano, pak bude muset být změněn náš „standardní“ kosmologický model. Je možné, že nám plánovaná anténa vesmírného laserového interferometru (LISA) přinese překvapení. Zkrátka počítáme s pozorovacími vozidly a experimenty, které plánujeme.

Stále také pracujeme v oblasti částicové fyziky a doufáme, že najdeme jevy mimo Model, jako je přesnější měření magnetických momentů elektronu a mionu - pokud nebudou souhlasit, objeví se nová fyzika. Pracujeme na tom, abychom zjistili, jak kolísají neutrino – i zde prosvítá nová fyzika. A pokud postavíme přesný elektron-pozitronový srážeč, kruhový nebo lineární (2), můžeme detekovat věci za standardním modelem, které LHC zatím nedokáže detekovat. Ve světě fyziky se dlouho navrhovala větší verze LHC s obvodem až 100 km. To by dalo vyšší srážkové energie, které by podle mnoha fyziků konečně signalizovaly nové jevy. Jde však o extrémně nákladnou investici a stavba obra pouze na principu – „postavme to a uvidíme, co nám ukáže“ vzbuzuje mnoho pochybností.

2. Lineární srážeč leptonů - vizualizace

Ve fyzikální vědě existují dva typy přístupu k problémům. První je komplexní přístup, která spočívá v úzkém návrhu experimentu nebo observatoře pro řešení konkrétního problému. Druhý přístup se nazývá metoda hrubé síly.který vyvíjí univerzální experiment nebo observatoř posouvající hranice, aby prozkoumal vesmír zcela novým způsobem, než byly naše předchozí přístupy. První se lépe orientuje ve standardním modelu. Druhá umožňuje najít stopy něčeho víc, ale bohužel to něco není přesně definováno. Oba způsoby tedy mají své nevýhody.

Hledejte tzv. Teorii všeho (TUT), svatý grál fyziky, který by měl být zařazen do druhé kategorie, protože většinou jde o hledání vyšších a vyšších energií (3), při kterých síly příroda se nakonec spojí do jedné interakce.

3. Energie potřebné pro hypotetické sjednocení interakcí

Nisforn neutrino

Věda se v poslední době stále více zaměřuje na zajímavější oblasti, jako je výzkum neutrin, o kterém jsme nedávno na MT publikovali rozsáhlou zprávu. V únoru 2020 zveřejnil časopis Astrophysical Journal publikaci o objevu vysokoenergetických neutrin neznámého původu v Antarktidě. Kromě známého experimentu probíhal na mrazivém kontinentu také výzkum pod krycím názvem ANITA (), spočívající ve vypuštění balónu se senzorem rádiové vlny.

Oba a ANITA byly navrženy tak, aby hledaly rádiové vlny z vysokoenergetických neutrin, která se srážejí s pevnou hmotou, která tvoří led. Avi Loeb, předseda Harvard Department of Astronomy, vysvětlil na webu Salon: „Události detekované ANITA se určitě zdají jako anomálie, protože je nelze vysvětlit jako neutrina z astrofyzikálních zdrojů. (...) Mohla by to být nějaká částice, která interaguje s běžnou hmotou slabší než neutrino. Máme podezření, že takové částice existují jako temná hmota. Ale proč jsou akce ANITA tak energické?“

Neutrina jsou jediné známé částice, které porušily standardní model. Podle Standardního modelu elementárních částic musíme mít tři typy neutrin (elektronické, mionové a tau) a tři typy antineutrin a po svém vzniku musí být stabilní a neměnné ve svých vlastnostech. Od 60. let, kdy se objevily první výpočty a měření neutrin produkovaných Sluncem, jsme si uvědomili, že nastal problém. Věděli jsme, v kolika elektronových neutrin se vytvořilo solární jádro. Když jsme ale změřili, kolik jich dorazilo, viděli jsme jen třetinu předpovídaného počtu.

Buď je něco špatně s našimi detektory, nebo je něco špatně s naším modelem Slunce, nebo je něco špatně se samotnými neutriny. Reaktorové experimenty rychle vyvrátily názor, že s našimi detektory není něco v pořádku (4). Pracovali podle očekávání a jejich výkon byl velmi dobře hodnocen. Neutrina, která jsme detekovali, byla registrována v poměru k počtu přicházejících neutrin. Po desetiletí mnoho astronomů tvrdilo, že náš solární model je špatný.

4. Obrázky neutrinových dějů v Čerenkovově záření z detektoru Super Kamiokande

Samozřejmě existovala další exotická možnost, která, pokud je pravdivá, změní naše chápání vesmíru oproti tomu, co předpovídal Standardní model. Myšlenka je taková, že tři typy neutrin, které známe, ve skutečnosti mají hmotnost, nikoli štíhlé, a že mohou míchat (kolísat) a měnit chutě, pokud mají dostatek energie. Pokud je neutrino elektronicky spouštěno, může se během cesty změnit mion i taonovale to je možné pouze tehdy, když má hmotnost. Vědci jsou znepokojeni problémem pravotočivých a levorukých neutrin. Protože pokud to nedokážete rozlišit, nemůžete rozlišit, zda je to částice nebo antičástice.

Může být neutrino svou vlastní antičásticí? Ne podle obvyklého standardního modelu. Fermionyobecně by neměly být jejich vlastními antičásticemi. Fermion je jakákoli částice s rotací ± XNUMX/XNUMX. Tato kategorie zahrnuje všechny kvarky a leptony, včetně neutrin. Existuje však zvláštní druh fermionů, který zatím existuje pouze teoreticky – fermion Majorana, který je vlastní antičásticí. Kdyby existoval, mohlo by se stát něco zvláštního... bez neutrin dvojitý beta rozpad. A tady je šance pro experimentátory, kteří takovou mezeru dlouho hledali.

Ve všech pozorovaných procesech zahrnujících neutrina tyto částice vykazují vlastnost, kterou fyzici nazývají levorukostí. Pravotočivá neutrina, která jsou nejpřirozenějším rozšířením Standardního modelu, nejsou nikde vidět. Všechny ostatní částice MS mají pravotočivou verzi, ale neutrina ne. Proč? Nejnovější, extrémně komplexní analýza mezinárodního týmu fyziků, včetně Ústavu jaderné fyziky Polské akademie věd (IFJ PAN) v Krakově, provedla výzkum na toto téma. Vědci se domnívají, že nedostatek pozorování pravotočivých neutrin by mohl dokázat, že jde o fermiony Majorana. Pokud by byly, pak je jejich pravostranná verze extrémně masivní, což vysvětluje obtížnost detekce.

Přesto stále nevíme, zda jsou neutrina sama o sobě antičásticemi. Nevíme, zda svou hmotnost získávají z velmi slabé vazby Higgsova bosonu, nebo ji získávají nějakým jiným mechanismem. A my nevíme, možná je sektor neutrin mnohem složitější, než si myslíme, se sterilními nebo těžkými neutriny číhajícími ve tmě.

Atomy a další anomálie

Ve fyzice elementárních částic existují kromě módních neutrin i další, méně známé oblasti výzkumu, ze kterých může prosvítat „nová fyzika“. Vědci například nedávno navrhli nový typ subatomární částice k vysvětlení záhady rozpad jako (5), speciální případ mezonové částice sestávající z jeden kvark i jeden starožitník. Když se částice kaonu rozpadají, malá část z nich projde změnami, které vědce překvapily. Styl tohoto rozpadu může naznačovat nový typ částic nebo novou fyzickou sílu působící. To je mimo rozsah standardního modelu.

Existuje více experimentů k nalezení mezer ve standardním modelu. Patří mezi ně hledání mionu g-2. Téměř před sto lety fyzik Paul Dirac předpověděl magnetický moment elektronu pomocí g, čísla, které určuje spinové vlastnosti částice. Poté měření ukázala, že "g" se mírně liší od 2 a fyzici začali používat rozdíl mezi skutečnou hodnotou "g" a 2 ke studiu vnitřní struktury subatomárních částic a fyzikálních zákonů obecně. V roce 1959 provedl CERN ve švýcarské Ženevě první experiment, který změřil hodnotu g-2 subatomární částice zvané mion, vázané na elektron, ale nestabilní a 207krát těžší než elementární částice.

Brookhaven National Laboratory v New Yorku zahájila svůj vlastní experiment a zveřejnila výsledky svého experimentu g-2 v roce 2004. Měření nebylo to, co standardní model předpovídal. Experiment však neshromáždil dostatek dat pro statistickou analýzu, která by přesvědčivě prokázala, že naměřená hodnota byla skutečně odlišná a nejedná se pouze o statistickou fluktuaci. Další výzkumná centra nyní provádějí nové experimenty s g-2 a výsledky se pravděpodobně brzy dozvíme.

Je tu něco zajímavějšího než tohle Kaonské anomálie i mion. V roce 2015 ukázal experiment na rozpadu berylia 8Be anomálii. Vědci v Maďarsku používají svůj detektor. Mimochodem objevili, nebo si mysleli, že objevili, což naznačuje existenci páté základní přírodní síly.

O studii se začali zajímat fyzici z Kalifornské univerzity. Naznačovali, že fenomén tzv atomová anomálie, způsobila zcela nová částice, která měla nést pátou sílu přírody. Nazývá se X17, protože se předpokládá, že jeho odpovídající hmotnost je téměř 17 milionů elektronvoltů. To je 30krát větší hmotnost než elektron, ale méně než hmotnost protonu. A způsob, jakým se X17 chová s protonem, je jednou z jeho nejpodivnějších vlastností – to znamená, že s protonem vůbec neinteraguje. Místo toho interaguje se záporně nabitým elektronem nebo neutronem, který nemá vůbec žádný náboj. To ztěžuje začlenění částice X17 do našeho současného standardního modelu. Bosony jsou spojeny se silami. Gluony jsou spojeny se silnou silou, bosony se slabou silou a fotony s elektromagnetismem. Existuje dokonce hypotetický boson pro gravitaci zvaný graviton. Jako boson ponese X17 vlastní sílu, jako je ta, která nám až dosud zůstávala záhadou a mohla být.

Vesmír a jeho preferovaný směr?

V článku zveřejněném letos v dubnu v časopise Science Advances vědci z University of New South Wales v Sydney uvedli, že nová měření světla vyzařovaného kvasarem vzdáleným 13 miliard světelných let potvrzují předchozí studie, které nalezly malé odchylky v jemné konstantní struktuře. vesmíru. Profesor John Webb z UNSW (6) vysvětluje, že konstanta jemné struktury "je veličina, kterou fyzici používají jako měřítko elektromagnetické síly." elektromagnetická síla udržuje elektrony kolem jader v každém atomu ve vesmíru. Bez toho by se veškerá hmota rozpadla. Donedávna byla považována za konstantní sílu v čase a prostoru. Ale ve svém výzkumu v posledních dvou desetiletích si profesor Webb všiml anomálie v pevné jemné struktuře, ve které se elektromagnetická síla, měřená v jednom zvoleném směru ve vesmíru, vždy zdá být mírně odlišná.

"" vysvětluje Webb. Nesrovnalosti se neobjevily v měřeních australského týmu, ale ve srovnání jejich výsledků s mnoha dalšími měřeními kvasarového světla jinými vědci.

"" říká profesor Webb. "". Podle jeho názoru se zdá, že výsledky naznačují, že ve vesmíru může existovat preferovaný směr. Jinými slovy, vesmír by měl v určitém smyslu dipólovou strukturu.

"" Říká vědec o výrazných anomáliích.

To je ještě jedna věc: místo toho, co se považovalo za náhodné šíření galaxií, kvasarů, plynových mračen a planet se životem, má vesmír najednou severní a jižní protějšek. Profesor Webb je nicméně připraven připustit, že výsledky měření vědců prováděných v různých fázích pomocí různých technologií a z různých míst na Zemi jsou ve skutečnosti obrovskou náhodou.

Webb poukazuje na to, že pokud ve vesmíru existuje směrovost a pokud se ukáže, že elektromagnetismus je v určitých oblastech kosmu mírně odlišný, bude třeba přehodnotit nejzákladnější koncepty, které stojí za velkou částí moderní fyziky. "", mluví. Model je založen na Einsteinově teorii gravitace, která výslovně předpokládá stálost přírodních zákonů. A pokud ne, pak ... myšlenka otočit celou budovu fyziky je dechberoucí.