Ang bagong physics ay sumisikat mula sa maraming lugar

Anumang mga posibleng pagbabago na gusto naming gawin sa Standard Model of physics (1) o general relativity, ang aming dalawang pinakamahusay (bagaman hindi magkatugma) na teorya ng uniberso, ay limitado na. Sa madaling salita, hindi mo mababago ang marami nang hindi pinapanghina ang kabuuan.

Ang katotohanan ay mayroon ding mga resulta at phenomena na hindi maipaliwanag batay sa mga modelong alam sa atin. Kaya dapat ba tayong gumawa ng paraan upang gawin ang lahat na hindi maipaliwanag o hindi naaayon sa anumang halaga na pare-pareho sa mga umiiral na teorya, o dapat ba tayong maghanap ng mga bago? Ito ay isa sa mga pangunahing katanungan ng modernong pisika.

Matagumpay na naipaliwanag ng Standard Model of particle physics ang lahat ng kilala at natuklasang interaksyon sa pagitan ng mga particle na naobserbahan. Ang uniberso ay binubuo ng mga bakla, leptonov at gauge boson, na nagpapadala ng tatlo sa apat na pangunahing pwersa sa kalikasan at nagbibigay sa mga particle ng kanilang rest mass. Mayroon ding pangkalahatang relativity, ang ating, sa kasamaang-palad, hindi isang quantum theory of gravity, na naglalarawan ng relasyon sa pagitan ng space-time, matter at energy sa uniberso.

Ang kahirapan sa paglampas sa dalawang teoryang ito ay kung susubukan mong baguhin ang mga ito sa pamamagitan ng pagpapakilala ng mga bagong elemento, konsepto at dami, makakakuha ka ng mga resulta na sumasalungat sa mga sukat at obserbasyon na mayroon na tayo. Ito rin ay nagkakahalaga ng pag-alala na kung gusto mong lumampas sa aming kasalukuyang balangkas na pang-agham, ang pasanin ng patunay ay napakalaki. Sa kabilang banda, mahirap hindi umasa nang labis mula sa isang taong nagpapahina sa mga modelong sinubukan at nasubok sa loob ng mga dekada.

Sa harap ng gayong mga kahilingan, hindi nakakagulat na halos walang sinuman ang sumusubok na ganap na hamunin ang umiiral na paradigm sa pisika. At kung nangyari ito, hindi ito sineseryoso, dahil mabilis itong natitisod sa mga simpleng pagsusuri. Kaya, kung nakikita natin ang mga potensyal na butas, kung gayon ang mga ito ay mga reflector lamang, na nagpapahiwatig na mayroong isang bagay na nagniningning sa isang lugar, ngunit hindi malinaw kung ito ay nagkakahalaga ng pagpunta doon.

Ang kilalang pisika ay hindi kayang hawakan ang uniberso

Mga halimbawa ng kinang nitong "ganap na bago at naiiba"? Well, halimbawa, ang mga obserbasyon ng recoil rate, na tila hindi naaayon sa pahayag na ang Uniberso ay puno lamang ng mga particle ng Standard Model at sumusunod sa pangkalahatang teorya ng relativity. Alam namin na ang mga indibidwal na pinagmumulan ng gravity, mga kalawakan, mga kumpol ng mga kalawakan, at maging ang mahusay na cosmic web ay hindi sapat upang ipaliwanag ang hindi pangkaraniwang bagay na ito, marahil. Alam namin na, bagama't ang Standard Model ay nagsasaad na ang matter at antimatter ay dapat likhain at sirain sa pantay na dami, nakatira tayo sa isang uniberso na karamihan ay binubuo ng matter na may maliit na halaga ng antimatter. Sa madaling salita, nakikita natin na hindi maipaliwanag ng "kilalang pisika" ang lahat ng nakikita natin sa uniberso.

Maraming mga eksperimento ang nagbunga ng mga hindi inaasahang resulta na, kung susuriin sa mas mataas na antas, ay maaaring maging rebolusyonaryo. Kahit na ang tinatawag na Atomic Anomaly na nagpapahiwatig ng pagkakaroon ng mga particle ay maaaring isang experimental error, ngunit maaari rin itong maging tanda ng paglampas sa Standard Model. Ang iba't ibang mga paraan ng pagsukat sa uniberso ay nagbibigay ng iba't ibang mga halaga para sa rate ng pagpapalawak nito - isang problema na isinasaalang-alang namin nang detalyado sa isa sa mga kamakailang isyu ng MT.

Gayunpaman, wala sa mga anomalyang ito ang nagbibigay ng sapat na nakakumbinsi na mga resulta upang ituring na isang hindi mapag-aalinlanganang tanda ng bagong pisika. Ang alinman o lahat ng mga ito ay maaaring mga istatistikal na pagbabagu-bago o isang hindi wastong pagkakalibrate na instrumento. Marami sa kanila ang maaaring tumuro sa bagong physics, ngunit madali silang maipaliwanag gamit ang mga kilalang particle at phenomena sa konteksto ng pangkalahatang relativity at Standard Model.

Plano naming mag-eksperimento, umaasa para sa mas malinaw na mga resulta at rekomendasyon. Malapit na nating makita kung ang dark energy ay may pare-parehong halaga. Batay sa nakaplanong pag-aaral sa kalawakan ng Vera Rubin Observatory at data sa malalayong supernova na gagawing available sa hinaharap. teleskopyo ni nancy grace, dati ay WFIRST, kailangan nating malaman kung ang dark energy ay umuusbong sa paglipas ng panahon hanggang sa loob ng 1%. Kung gayon, ang ating "standard" na modelong kosmolohiya ay kailangang baguhin. Posible na ang space laser interferometer antenna (LISA) sa mga tuntunin ng plano ay magbibigay din sa atin ng mga sorpresa. Sa madaling salita, umaasa kami sa mga sasakyan sa pagmamasid at mga eksperimento na aming pinaplano.

Nagtatrabaho pa rin kami sa larangan ng particle physics, umaasa na makahanap ng mga phenomena sa labas ng Modelo, tulad ng mas tumpak na pagsukat ng magnetic moments ng electron at muon - kung hindi sila sumang-ayon, lilitaw ang bagong physics. Nagsusumikap kami upang malaman kung paano sila nagbabago neutrino – dito rin, bagong physics ang sumisikat. At kung bubuo tayo ng tumpak na electron-positron collider, circular o linear (2), makakakita tayo ng mga bagay na lampas sa Standard Model na hindi pa matutukoy ng LHC. Sa mundo ng pisika, matagal nang iminungkahi ang isang mas malaking bersyon ng LHC na may circumference na hanggang 100 km. Magbibigay ito ng mas mataas na enerhiya ng banggaan, na, ayon sa maraming physicist, sa wakas ay magse-signal ng mga bagong phenomena. Gayunpaman, ito ay isang napakamahal na pamumuhunan, at ang pagtatayo ng isang higante lamang sa prinsipyo - "buuin natin ito at tingnan kung ano ang ipapakita nito sa atin" ay nagdaragdag ng maraming pagdududa.

2. Linear lepton collider - visualization

Mayroong dalawang uri ng diskarte sa mga problema sa pisikal na agham. Ang una ay isang kumplikadong diskarte, na binubuo sa makitid na disenyo ng isang eksperimento o isang obserbatoryo para sa paglutas ng isang partikular na problema. Ang pangalawang diskarte ay tinatawag na brute force method.na bumuo ng isang unibersal, nagtutulak sa hangganan na eksperimento o obserbatoryo upang galugarin ang uniberso sa isang ganap na bagong paraan kaysa sa aming mga nakaraang diskarte. Ang una ay mas mahusay na nakatuon sa Standard Model. Ang pangalawa ay nagpapahintulot sa iyo na makahanap ng mga bakas ng isang bagay na higit pa, ngunit, sa kasamaang-palad, ang isang bagay na ito ay hindi eksaktong tinukoy. Kaya, ang parehong mga pamamaraan ay may kanilang mga kawalan.

Hanapin ang tinatawag na Theory of Everything (TUT), ang banal na grail ng physics, ay dapat ilagay sa pangalawang kategorya, dahil mas madalas na bumababa ito sa paghahanap ng mas mataas at mas mataas na enerhiya (3), kung saan ang mga puwersa ng ang kalikasan sa kalaunan ay pinagsama sa isang pakikipag-ugnayan.

3. Enerhiya na kailangan para sa hypothetical na pagkakaisa ng mga pakikipag-ugnayan

neutrino nisforn

Kamakailan, ang agham ay naging higit at higit na nakatuon sa mas kawili-wiling mga lugar, tulad ng neutrino na pananaliksik, kung saan kamakailan ay nag-publish kami ng isang malawak na ulat sa MT. Noong Pebrero 2020, inilathala ng Astrophysical Journal ang isang publikasyon tungkol sa pagtuklas ng mga high-energy neutrino na hindi kilalang pinanggalingan sa Antarctica. Bilang karagdagan sa kilalang eksperimento, isinagawa din ang pananaliksik sa mayelo na kontinente sa ilalim ng code name na ANITA (), na binubuo sa pagpapalabas ng isang lobo na may sensor. mga radio wave.

Pareho at ANITA ay idinisenyo upang maghanap ng mga radio wave mula sa high-energy neutrino na bumabangga sa solid matter na bumubuo ng yelo. Ipinaliwanag ni Avi Loeb, tagapangulo ng Harvard Department of Astronomy, sa website ng Salon: "Ang mga kaganapang nakita ng ANITA ay tiyak na tila isang anomalya dahil hindi sila maipaliwanag bilang mga neutrino mula sa mga mapagkukunan ng astrophysical. (...) Ito ay maaaring isang uri ng butil na nakikipag-ugnayan nang mas mahina kaysa sa isang neutrino sa ordinaryong bagay. Pinaghihinalaan namin na ang mga naturang particle ay umiiral bilang dark matter. Ngunit bakit napakasigla ng mga kaganapan sa ANITA?"

Ang mga neutrino ay ang tanging mga particle na kilala na lumabag sa Standard Model. Ayon sa Standard Model of elementary particles, dapat mayroon tayong tatlong uri ng neutrino (electronic, muon at tau) at tatlong uri ng antineutrino, at pagkatapos ng kanilang pagbuo ay dapat silang maging matatag at hindi nagbabago sa kanilang mga katangian. Mula noong 60s, nang lumitaw ang mga unang kalkulasyon at sukat ng mga neutrino na ginawa ng Araw, napagtanto namin na may problema. Alam namin kung gaano karaming mga electron neutrino ang nabuo solar core. Ngunit nang sukatin namin kung ilan ang dumating, nakita namin ang ikatlong bahagi lamang ng hinulaang bilang.

Maaaring may mali sa ating mga detector, o may mali sa ating modelo ng Araw, o may mali sa mga neutrino mismo. Mabilis na pinabulaanan ng mga eksperimento ng reactor ang paniwala na may mali sa aming mga detector (4). Nagtrabaho sila tulad ng inaasahan at ang kanilang pagganap ay napakahusay na na-rate. Ang mga neutrino na nakita namin ay nakarehistro sa proporsyon sa bilang ng mga dumarating na neutrino. Sa loob ng mga dekada, maraming astronomo ang nagtalo na mali ang ating solar model.

4. Mga larawan ng neutrino na mga kaganapan sa Cherenkov radiation mula sa Super Kamiokande detector

Siyempre, may isa pang kakaibang posibilidad na, kung totoo, ay magbabago sa ating pag-unawa sa uniberso mula sa hinulaang Standard Model. Ang ideya ay ang tatlong uri ng neutrino na alam natin ay talagang may masa, hindi sandalan, at maaari silang maghalo (magbago) upang baguhin ang mga lasa kung mayroon silang sapat na enerhiya. Kung ang neutrino ay elektronikong na-trigger, maaari itong magbago habang papunta sa muon i taonovngunit ito ay posible lamang kapag ito ay may masa. Nababahala ang mga siyentipiko tungkol sa problema ng right- at left-handed neutrino. Sapagkat kung hindi mo ito matukoy, hindi mo matukoy kung ito ay isang butil o isang antiparticle.

Maaari bang maging sariling antiparticle ang isang neutrino? Hindi ayon sa karaniwang Standard Model. Mga fermionsa pangkalahatan hindi sila dapat maging kanilang sariling mga antiparticle. Ang fermion ay anumang particle na may rotation na ± XNUMX/XNUMX. Kasama sa kategoryang ito ang lahat ng quark at lepton, kabilang ang mga neutrino. Gayunpaman, mayroong isang espesyal na uri ng fermion, na hanggang ngayon ay umiiral lamang sa teorya - ang Majorana fermion, na sarili nitong antiparticle. Kung mayroon man, maaaring may kakaibang nangyayari... walang neutrino dobleng beta decay. At narito ang isang pagkakataon para sa mga eksperimento na naghahanap ng ganoong puwang sa mahabang panahon.

Sa lahat ng naobserbahang proseso na kinasasangkutan ng mga neutrino, ang mga particle na ito ay nagpapakita ng katangian na tinatawag ng mga physicist na kaliwete. Ang mga right-handed neutrino, na pinaka-natural na extension ng Standard Model, ay wala kahit saan. Ang lahat ng iba pang mga particle ng MS ay may kanang-kamay na bersyon, ngunit ang mga neutrino ay wala. Bakit? Ang pinakabago, lubos na komprehensibong pagsusuri ng isang internasyonal na pangkat ng mga physicist, kabilang ang Institute of Nuclear Physics ng Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) sa Krakow, ay nagsaliksik sa isyung ito. Naniniwala ang mga siyentipiko na ang kakulangan ng pagmamasid sa mga right-handed neutrino ay maaaring patunayan na sila ay Majorana fermion. Kung sila, kung gayon ang kanilang kanang panig na bersyon ay napakalaking, na nagpapaliwanag sa kahirapan ng pagtuklas.

Ngunit hindi pa rin natin alam kung ang mga neutrino ay mga antiparticle mismo. Hindi natin alam kung nakukuha nila ang kanilang masa mula sa napakahinang pagbubuklod ng Higgs boson, o kung nakukuha nila ito sa pamamagitan ng ibang mekanismo. At hindi natin alam, marahil ang sektor ng neutrino ay mas kumplikado kaysa sa iniisip natin, na may mga sterile o mabibigat na neutrino na nakatago sa dilim.

Mga atomo at iba pang mga anomalya

Sa elementarya na particle physics, bukod sa mga naka-istilong neutrino, may iba pang hindi gaanong kilalang mga lugar ng pananaliksik kung saan ang "bagong pisika" ay maaaring sumikat. Ang mga siyentipiko, halimbawa, ay nagmungkahi kamakailan ng isang bagong uri ng subatomic na particle upang ipaliwanag ang misteryoso pagkakawatak-watak bilang (5), isang espesyal na kaso ng isang meson particle na binubuo ng isang quark i isang antigong dealer. Kapag ang mga particle ng kaon ay nabubulok, ang isang maliit na bahagi ng mga ito ay sumasailalim sa mga pagbabago na ikinagulat ng mga siyentipiko. Ang estilo ng pagkabulok na ito ay maaaring magpahiwatig ng isang bagong uri ng butil o isang bagong pisikal na puwersa sa trabaho. Ito ay nasa labas ng saklaw ng Standard Model.

Mayroong higit pang mga eksperimento upang makahanap ng mga puwang sa Standard Model. Kabilang dito ang paghahanap para sa g-2 muon. Halos isang daang taon na ang nakalilipas, hinulaan ng physicist na si Paul Dirac ang magnetic moment ng isang electron gamit ang g, isang numero na tumutukoy sa mga katangian ng spin ng isang particle. Pagkatapos ay ipinakita ng mga sukat na ang "g" ay bahagyang naiiba sa 2, at ang mga pisiko ay nagsimulang gumamit ng pagkakaiba sa pagitan ng aktwal na halaga ng "g" at 2 upang pag-aralan ang panloob na istruktura ng mga subatomic na particle at ang mga batas ng pisika sa pangkalahatan. Noong 1959, ang CERN sa Geneva, Switzerland, ay nagsagawa ng unang eksperimento na sumusukat sa halaga ng g-2 ng isang subatomic na particle na tinatawag na muon, na nakagapos sa isang electron ngunit hindi matatag at 207 beses na mas mabigat kaysa sa elementary particle.

Sinimulan ng Brookhaven National Laboratory sa New York ang sarili nitong eksperimento at inilathala ang mga resulta ng kanilang eksperimento sa g-2 noong 2004. Ang pagsukat ay hindi kung ano ang hinulaang Standard Model. Gayunpaman, ang eksperimento ay hindi nakakolekta ng sapat na data para sa istatistikal na pagsusuri upang tiyak na patunayan na ang sinusukat na halaga ay talagang iba at hindi lamang isang istatistikal na pagbabagu-bago. Ang iba pang mga sentro ng pananaliksik ay nagsasagawa na ngayon ng mga bagong eksperimento sa g-2, at malamang na malalaman natin ang mga resulta sa lalong madaling panahon.

May mas nakakaintriga pa dito Kaon anomalya i muon. Noong 2015, nagpakita ng anomalya ang isang eksperimento sa pagkabulok ng beryllium 8Be. Ginagamit ng mga siyentipiko sa Hungary ang kanilang detektor. Gayunpaman, hindi sinasadya, natuklasan nila, o naisip na natuklasan nila, na nagmumungkahi ng pagkakaroon ng ikalimang pangunahing puwersa ng kalikasan.

Ang mga physicist mula sa Unibersidad ng California ay naging interesado sa pag-aaral. Iminungkahi nila na tinawag ang phenomenon anomalya ng atom, ay sanhi ng isang ganap na bagong butil, na dapat magdala ng ikalimang puwersa ng kalikasan. Tinatawag itong X17 dahil ang katumbas na masa nito ay inaakalang halos 17 milyong electron volts. Ito ay 30 beses na mass ng isang electron, ngunit mas mababa kaysa sa mass ng isang proton. At ang paraan ng pag-uugali ng X17 sa isang proton ay isa sa mga kakaibang tampok nito - iyon ay, hindi ito nakikipag-ugnayan sa isang proton. Sa halip, ito ay nakikipag-ugnayan sa isang negatibong sisingilin na electron o neutron, na walang bayad. Ginagawa nitong mahirap na magkasya ang X17 particle sa aming kasalukuyang Standard Model. Ang mga boson ay nauugnay sa mga puwersa. Ang mga gluon ay nauugnay sa malakas na puwersa, mga boson na may mahinang puwersa, at mga photon na may electromagnetism. Mayroong kahit hypothetical boson para sa gravity na tinatawag na graviton. Bilang isang boson, ang X17 ay magdadala ng sarili nitong puwersa, tulad niyaong hanggang ngayon ay naging misteryo sa atin at maaaring mangyari.

Ang uniberso at ang ginustong direksyon nito?

Sa isang papel na inilathala nitong Abril sa journal Science Advances, iniulat ng mga siyentipiko sa Unibersidad ng New South Wales sa Sydney na ang mga bagong sukat ng liwanag na ibinubuga ng isang quasar na 13 bilyong light-years ang layo ay nagpapatunay sa mga nakaraang pag-aaral na nakahanap ng maliliit na pagkakaiba-iba sa maayos na istraktura. ng sansinukob. Propesor John Webb mula sa UNSW (6) ay nagpapaliwanag na ang fine structure constant "ay isang dami na ginagamit ng mga physicist bilang sukatan ng electromagnetic force." electromagnetic na puwersa nagpapanatili ng mga electron sa paligid ng nuclei sa bawat atom sa uniberso. Kung wala ito, ang lahat ng bagay ay mawawasak. Hanggang kamakailan, ito ay itinuturing na isang patuloy na puwersa sa oras at espasyo. Ngunit sa kanyang pananaliksik sa nakalipas na dalawang dekada, napansin ni Propesor Webb ang isang anomalya sa solidong fine structure kung saan ang electromagnetic force, na sinusukat sa isang piniling direksyon sa uniberso, ay tila palaging bahagyang naiiba.

"" paliwanag ni Webb. Ang mga hindi pagkakapare-pareho ay lumitaw hindi sa mga sukat ng koponan ng Australia, ngunit sa paghahambing ng kanilang mga resulta sa maraming iba pang mga sukat ng quasar light ng ibang mga siyentipiko.

"" sabi ni Professor Webb. "". Sa kanyang opinyon, ang mga resulta ay tila nagmumungkahi na maaaring mayroong isang ginustong direksyon sa uniberso. Sa madaling salita, ang uniberso ay may isang dipole na istraktura.

"" Sabi ng scientist tungkol sa mga markadong anomalya.

Ito ay isa pang bagay: sa halip na kung ano ang naisip na isang random na pagkalat ng mga kalawakan, quasar, mga ulap ng gas at mga planeta na may buhay, ang uniberso ay biglang may katapat na hilaga at timog. Gayunpaman, handa si Propesor Webb na aminin na ang mga resulta ng mga pagsukat ng mga siyentipiko na isinasagawa sa iba't ibang yugto gamit ang iba't ibang mga teknolohiya at mula sa iba't ibang lugar sa Earth ay sa katunayan ay isang malaking pagkakataon.

Itinuturo ni Webb na kung mayroong direksyon sa uniberso, at kung ang electromagnetism ay lumalabas na bahagyang naiiba sa ilang mga rehiyon ng kosmos, ang pinakapangunahing mga konsepto sa likod ng karamihan sa modernong pisika ay kailangang muling bisitahin. "", nagsasalita. Ang modelo ay batay sa teorya ng grabidad ni Einstein, na tahasang ipinapalagay ang katatagan ng mga batas ng kalikasan. At kung hindi, kung gayon ... ang pag-iisip na iikot ang buong edipisyo ng pisika ay kapansin-pansin.