Нова фізика просвічує з багатьох місць

Будь-які можливі зміни, які ми хотіли б внести в Стандартну модель фізики (1) або загальну теорію відносності, дві наші найкращі (хоч і несумісні) теорії Всесвіту вже дуже обмежені. Іншими словами, ви не можете змінити багато чого, не підірвавши ціле.

Справа в тому, що є також результати та явища, які неможливо пояснити на основі відомих нам моделей. Тож чи повинні ми намагатися щосили, щоб усе незрозуміле чи що не вкладається будь-якою ціною у відповідність до існуючими теоріями, чи слід шукати нові? Це одне із фундаментальних питань сучасної фізики.

Стандартна модель фізики елементарних частинок успішно пояснила всі відомі та виявлені взаємодії між частинками, що коли-небудь спостерігалися. Всесвіт складається з кварки, лептонов і калібрувальні бозони, які передають три з чотирьох фундаментальних сил у природі та надають часткам масу спокою. Існує також загальна теорія відносності, наша, на жаль, не квантова теорія гравітації, яка описує взаємозв'язок між простором-часом, матерією та енергією у Всесвіті.

Проблема виходу за межі цих двох теорій полягає в тому, що якщо ви спробуєте змінити їх, ввівши нові елементи, поняття та величини, ви отримаєте результати, що суперечать вимірам та спостереженням, які ми вже маємо. Також варто пам'ятати, що якщо ви хочете вийти за рамки наших нинішніх наукових рамок, тягар доказу величезний. З іншого боку, важко не чекати настільки від того, хто підриває перевірені і перевірені десятиліттями моделі.

Перед цим вимогам не дивно, що навряд чи хтось намагається повністю кинути виклик існуючій парадигмі у фізиці. А якщо й зустрічається, то взагалі не сприймається всерйоз, бо швидко спотикається на перевірках. Тож якщо ми й бачимо потенційні пробоїни, то це просто світловідбивачі, які сигналізують про те, що десь щось світить, але немає ясності, чи варто туди взагалі йти.

Відома фізика не може впоратися зі всесвітом

Приклади мерехтіння цього “цілком нового та іншого”? Ну, наприклад, спостереження за швидкістю віддачі, які здаються несумісними із твердженням, що Всесвіт заповнений лише частинками Стандартної моделі та підпорядковується загальній теорії відносності. Ми знаємо, що окремих джерел гравітації, галактик, скупчень галактик і навіть великої космічної павутини недостатньо для пояснення цього явища, хіба що. Ми знаємо, що, хоча згідно зі Стандартною моделлю матерія і антиматерія повинні створюватися і знищуватися в рівних кількостях, ми живемо у Всесвіті, що складається в основному з матерії з невеликою кількістю антиматерії. Іншими словами, ми бачимо, що «відома фізика» не може пояснити все, що ми бачимо у Всесвіті.

Багато експериментів дали несподівані результати, які, якщо їх перевірити на рівні, могли б стати революційними. Навіть так звана атомна аномалія, що вказує на існування частинок, може бути експериментальною помилкою, але також може бути ознакою виходу за рамки стандартної моделі. Різні методи виміру Всесвіту дають різні значення швидкості його розширення – проблема, яку ми докладно розглянули в одному з недавніх випусків МТ.

Однак жодна з цих аномалій не дає достатньо переконливих результатів, щоб вважатися безперечною ознакою нової фізики. Будь-який із них або всі вони можуть бути просто статистичними флуктуаціями або неправильно відкаліброваним приладом. Багато хто з них може вказувати на нову фізику, але їх так само легко можна пояснити за допомогою відомих частинок та явищ у контексті загальної теорії відносності та Стандартної моделі.

Ми плануємо експериментувати, сподіваючись на чіткіші результати та рекомендації. Можливо, ми скоро побачимо, чи темна енергія має постійну величину. На основі запланованих досліджень галактик, що проводяться обсерваторією Віри Рубін, та даних про дальні наднові, які будуть надані в майбутньому. телескоп Ненсі Грейс, Раніше WFIRST, ми повинні з'ясувати, чи еволюціонує темна енергія в часі з точністю до 1%. Якщо це так, то нашу «стандартну» космологічну модель доведеться змінити. Не виключено, що антена космічного лазерного інтерферометра (LISA) у плані також піднесе нам сюрпризи. Коротше кажучи, ми розраховуємо на наглядові апарати та експерименти, які плануємо.

Ми також досі працюємо в галузі фізики елементарних частинок, сподіваючись знайти явища за межами Моделі, наприклад, більш точний вимір магнітних моментів електрона та мюона — якщо вони не узгоджуються, з'являється нова фізика. Ми працюємо, щоб з'ясувати, як вони вагаються нейтрин - Тут теж просвічується нова фізика. І якщо ми збудуємо точний електрон-позитронний колайдер, круговий або лінійний (2), ми зможемо виявити речі за межами Стандартної моделі, які поки не може виявити ВАК. У світі фізики давно пропонувалася більша версія ВАК з колом до 100 км. Це дало б вищі енергії зіткнень, що, на думку багатьох фізиків, нарешті стало б сигналом про нові явища. Однак це надзвичайно дороге вкладення, і будівництво гіганта тільки за принципом - "давайте збудуємо і подивимося, що він нам покаже" викликає багато сумнівів.

2. Лінійний лептонний колайдер – візуалізація

Існують два типи підходу до проблем у фізичній науці. Перший – складний підхід, що полягає у вузькому задумі експерименту або обсерваторії для вирішення конкретного завдання. Другий підхід називається методом грубої сили.який розробляє універсальний, що розширює межі експеримент чи обсерваторію для дослідження Всесвіту, зовсім по-новому, ніж наші попередні підходи. Перший краще орієнтується у Стандартній моделі. Другий дозволяє знайти сліди чогось більшого, але, на жаль, це точно не визначено. Таким чином, обидва методи мають недоліки.

Шукайте так званий До другої категорії слід віднести Теорію Усього (ТВО), святий Грааль фізики, оскільки найчастіше справа зводиться до пошуку все більших енергій (3), за яких сили природи зрештою об'єднуються в одну взаємодію.

3. Енергії, необхідні гіпотетичного об'єднання взаємодій

нейтрина Нісфорна

Останнім часом наука почала дедалі більше зосереджуватися більш цікавих областях, як-от дослідження нейтрино, про які ми нещодавно опублікували великий звіт МТ. У лютому 2020 року в Астрофізичному журналі вийшла публікація про відкриття в Антарктиді нейтрино високих енергій невідомого походження. Крім відомого експерименту, на морозному континенті проводилися також дослідження під умовною назвою АНІТА (), що полягають у випуску повітряної кулі з датчиком радіохвилі.

Обидва та ANITA були розроблені для пошуку радіохвиль від нейтрино високої енергії, що стикаються з твердою речовиною, з якої складається лід. Аві Леб, голова Гарвардського відділення астрономії, пояснив на сайті Салону: «Події, виявлені ANITA, безумовно, здаються аномалією, тому що їх не можна пояснити як нейтрино з астрофізичних джерел. (…) Це могла бути якась частка, яка слабше нейтрино взаємодіє зі звичайною речовиною. Ми підозрюємо, що такі частки є як темна матерія. Але що робить заходи ANITA такими енергійними?

Нейтрино – єдині відомі частки, які порушили стандартну модель. Відповідно до Стандартної моделі елементарних частинок, ми повинні мати три типи нейтрино (електронні, мюонні та тау) та три типи антинейтрино, і після їх утворення вони повинні бути стабільними та незмінними у своїх властивостях. З 60-х років, коли з'явилися перші розрахунки та вимірювання нейтрино, вироблених Сонцем, ми зрозуміли, що проблема існує. Ми знали, скільки електронних нейтрино утворилося в сонячне ядро. Але коли ми виміряли скільки прибуло, ми побачили лише третину від передбаченого числа.

Або щось не так з нашими детекторами, або щось не так з нашою моделлю Сонця, або щось не так із самими нейтрино. Експерименти на реакторах швидко спростували думку, що з нашими детекторами щось не так (4). Вони працювали так, як очікувалося, і їхня продуктивність була дуже добре оцінена. Виявлені нами нейтрино реєструвалися пропорційно до кількості прибулих нейтрино. Протягом десятиліть багато астрономів стверджували, що наша сонячна модель є помилковою.

4. Зображення нейтринних подій у черенківському випромінюванні від детектора Супер Каміоканде

Звичайно, існувала й інша екзотична можливість, яка, якщо вона виявиться вірною, змінить наше уявлення про Всесвіт порівняно з тим, що передбачала Стандартна модель. Ідея полягає в тому, що три відомі нам типи нейтрино насправді мають масу, а не пісний, і що вони можуть змішуватися (вагатися) для зміни смаків, якщо вони мають достатньо енергії. Якщо нейтрино запускається електронним способом, воно може змінитися на шляху мюон i таониале це можливе лише тоді, коли воно має масу. Вчених хвилює проблема право-і ліворукості нейтрино. Бо якщо ви не можете розрізнити його, ви не можете розрізнити, частка це або античастка.

Чи може нейтрино бути своєю античастинкою? Не відповідно до звичайної Стандартної моделі. Ферміону випадку вони повинні бути своїми античастинками. Ферміон це будь-яка частка з обертанням ± ½. У цю категорію входять усі кварки та лептони, включаючи нейтрино. Однак існує особливий тип ферміонів, який поки що існує тільки теоретично — майоранівський ферміон, що є власною античастинкою. Якби він існував, могло б відбуватися щось особливе. нейтринний вільний подвійний бета-розпад. І ось шанс для експериментаторів, котрі давно шукали такий розрив.

У всіх спостережуваних процесах за участю нейтрино ці частинки виявляють властивість, яку фізики називають ліворукістю. Праві нейтрино, які є найбільш природним розширенням Стандартної моделі, ніде не видно. Решта частинок MS мають правосторонню версію, а нейтрино — немає. Чому? Останній надзвичайно всебічний аналіз, проведений міжнародною групою фізиків, у тому числі Інститутом ядерної фізики Польської академії наук (IFJ PAN) у Кракові, провів дослідження з цієї проблеми. Вчені вважають, що відсутність спостереження за правими нейтрино може довести, що вони є майоранівськими ферміонами. Якби вони були, то їхня правостороння версія надзвичайно масивна, що пояснює складність виявлення.

І все ж таки ми досі не знаємо, чи є нейтрино античастинками самі по собі. Ми не знаємо, чи отримують вони свою масу через дуже слабкий зв'язок бозона Хіггса чи отримують її за допомогою якогось іншого механізму. І ми не знаємо, можливо, сектор нейтрино набагато складніше, ніж ми думаємо, зі стерильними або важкими нейтрино, що ховаються в темряві.

Атомки та інші аномалії

У фізиці елементарних частинок, крім модних нейтрино, є й інші, менш відомі галузі досліджень, з яких може просвічуватись «нова фізика». Вчені, наприклад, нещодавно запропонували новий тип субатомних частинок для пояснення загадкового розпад каону (5), окремий випадок мезонної частки, що складається з один кварк i один антиквар. Коли частки каона розпадаються, невелика їх частина зазнає змін, які здивували вчених. Стиль цього розпаду може свідчити про новий тип частки чи нову фізичну силу у дії. Це виходить за межі Стандартної моделі.

Є більше експериментів щодо пошуку прогалин у Стандартній моделі. До них відноситься пошук мюона g-2. Майже сто років тому фізик Поль Дірак передбачив магнітний момент електрона, використовуючи величину g — число, що визначає спінові властивості частки. Потім виміри показали, що «g» трохи відрізняється від 2, і фізики стали використовувати різницю між дійсним значенням «g» і 2 вивчення внутрішньої будови субатомних частинок і законів фізики в цілому. В 1959 ЦЕРН в Женеві, Швейцарія, провів перший експеримент, в якому було виміряно значення g-2 субатомної частинки, званої мюоном, пов'язаної з електроном, але нестабільною і в 207 разів більш важкою елементарною частинкою.

Брукхейвенська національна лабораторія в Нью-Йорку розпочала власний експеримент та опублікувала результати свого експерименту з g-2 у 2004 році. Вимір було не таким, як передбачала Стандартна модель. Однак у ході експерименту був зібрано достатньо даних для статистичного аналізу, щоб остаточно довести, що виміряне значення справді відрізнялося, а чи не було просто статистичної флуктуацією. Інші дослідні центри зараз проводять нові експерименти з g-2, і ми, мабуть, скоро дізнаємося про результати.

Є дещо інтригуюче, ніж це Каонові аномалії i мюон. У 2015 році експеримент із розпаду берилію 8Be показав аномалію. Учені в Угорщині використовують свій детектор. Проте, між іншим, вони виявили чи думали, що виявили, що передбачає існування п'ятої фундаментальної сили природи.

Дослідженням зацікавились фізики Каліфорнійського університету. Вони припустили, що явище, назване аномалія атомки, була викликана зовсім новою частинкою, яка мала нести п'яту силу природи. Він називається X17, тому що вважається, що його відповідна маса становить майже 17 мільйонів електрон-вольт. Це в 30 разів більше за масу електрона, але менше за масу протона. І те, як X17 поводиться з протоном, є однією з найдивніших його особливостей — тобто він взагалі не взаємодіє з протоном. Натомість він взаємодіє з негативно зарядженим електроном або нейтроном, який взагалі не має заряду. Це ускладнює вписування частки X17 в нашу поточну стандартну модель. Бозони пов'язані із силами. Глюони пов'язані з сильною взаємодією, бозонами і слабкою взаємодією, а фотони з електромагнетизмом. Існує навіть гіпотетичний бозон для гравітації, що називається гравітоном. Як бозон, X17 нестиме свою власну силу, наприклад ту, яка досі залишалася для нас загадкою і могла б бути.

Всесвіт і його кращий напрямок?

У статті, опублікованій у квітні цього року в журналі Science Advances, вчені з Університету Нового Південного Уельсу в Сіднеї повідомили, що нові виміри світла, що випромінюється квазаром, віддаленим від нас на 13 мільярдів світлових років, підтверджують попередні дослідження, які виявили невеликі тони. структура Всесвіту. Професор Джон Вебб з UNSW (6) пояснює, що постійна тонкої структури «є величиною, яку фізики використовують як міру електромагнітної сили». Електромагнітна сила підтримує електрони навколо ядер у кожному атомі Всесвіту. Без нього вся матерія розвалилася б. Донедавна вона вважалася постійною силою у часі та просторі. Але у своїх дослідженнях за останні два десятиліття професор Вебб помітив аномалію у твердій тонкій структурі, в якій електромагнітна сила, виміряна в одному вибраному напрямку у Всесвіті, завжди здається трохи різною.

«Пояснює Вебб. Невідповідності з'явилися не у вимірах австралійської команди, а порівняно з їхніми результатами з багатьма іншими вимірами світла квазарів іншими вченими.

«» - каже професор Вебб. "". На його думку, результати, здається, припускають, що у Всесвіті може бути кращим напрямком. Іншими словами, Всесвіт у якомусь сенсі мав би дипольну структуру.

Говорить вчений про зазначені аномалії.

Це ще одне: замість того, що вважалося випадковим поширенням галактик, квазарів, газових хмар і планет із життям, у Всесвіті раптово з'являється північний та південний аналог. Професор Вебб все ж таки готовий визнати, що результати вимірювань вчених, проведених на різних етапах з використанням різних технологій і з різних місць Землі, насправді є величезним збігом.

Вебб вказує, що якщо у Всесвіті існує спрямованість і якщо електромагнетизм виявиться трохи іншим у певних галузях космосу, фундаментальні концепції, що лежать в основі більшої частини сучасної фізики, необхідно буде переглянути. “”, каже. Модель заснована на теорії гравітації Ейнштейна, яка явно припускає сталість законів природи. А якщо ні, то… дух захоплює від думки перевернути всю будівлю фізики.