Fizika e re shkëlqen nga shumë vende

Çdo ndryshim i mundshëm që do të donim t'i bënim Modelit Standard të fizikës (1) ose relativitetit të përgjithshëm, dy teoritë tona më të mira (megjithëse të papajtueshme) të universit, janë tashmë shumë të kufizuara. Me fjalë të tjera, nuk mund të ndryshosh shumë pa e dëmtuar të tërën.

Fakti është se ka edhe rezultate dhe dukuri që nuk mund të shpjegohen në bazë të modeleve të njohura për ne. Pra, a duhet të bëjmë çdo gjë të pashpjegueshme ose të papajtueshme me çdo kusht në përputhje me teoritë ekzistuese, apo duhet të kërkojmë të reja? Kjo është një nga pyetjet themelore të fizikës moderne.

Modeli Standard i fizikës së grimcave ka shpjeguar me sukses të gjitha ndërveprimet e njohura dhe të zbuluara midis grimcave që janë vërejtur ndonjëherë. Universi përbëhet nga kuarket, leptonov dhe bozonet matës, të cilët transmetojnë tre nga katër forcat themelore në natyrë dhe u japin grimcave masën e tyre të pushimit. Ekziston edhe relativiteti i përgjithshëm, për fat të keq, jo një teori kuantike e gravitetit, e cila përshkruan marrëdhënien midis hapësirës-kohës, materies dhe energjisë në univers.

Vështirësia për të shkuar përtej këtyre dy teorive është se nëse përpiqeni t'i ndryshoni ato duke futur elemente, koncepte dhe sasi të reja, do të merrni rezultate që kundërshtojnë matjet dhe vëzhgimet që kemi tashmë. Vlen gjithashtu të kujtohet se nëse doni të shkoni përtej kornizës sonë aktuale shkencore, barra e provës është e madhe. Nga ana tjetër, është e vështirë të mos presësh kaq shumë nga dikush që minon modelet e provuara dhe të testuara për dekada.

Përballë kërkesave të tilla, nuk është për t'u habitur që vështirë se dikush përpiqet të sfidojë plotësisht paradigmën ekzistuese në fizikë. Dhe nëse e bën, nuk merret aspak seriozisht, pasi ngec shpejt në kontrolle të thjeshta. Pra, nëse shohim vrima të mundshme, atëherë këto janë vetëm reflektorë, që sinjalizojnë se diçka po shkëlqen diku, por nuk është e qartë nëse ia vlen të shkosh atje fare.

Fizika e njohur nuk mund ta përballojë universin

Shembuj të shkëlqimit të kësaj "krejtësisht të re dhe të ndryshme"? Epo, për shembull, vëzhgimet e shpejtësisë së kthimit, të cilat duken të papajtueshme me deklaratën se Universi është i mbushur vetëm me grimca të Modelit Standard dhe i bindet relativitetit të përgjithshëm. Ne e dimë se burimet individuale të gravitetit, galaktikat, grupimet e galaktikave, madje edhe rrjeta e madhe kozmike nuk janë të mjaftueshme për të shpjeguar këtë fenomen, përveçse ndoshta. Ne e dimë se megjithëse sipas Modelit Standard, materia dhe antimateria duhet të krijohen dhe shkatërrohen në sasi të barabarta, ne jetojmë në një Univers të përbërë kryesisht nga materia me një sasi të vogël antimateries. Me fjalë të tjera, ne shohim se "fizika e njohur" nuk mund të shpjegojë gjithçka që shohim në Univers.

Shumë eksperimente kanë dhënë rezultate të papritura që, nëse testohen në një nivel më të lartë, mund të jenë revolucionare. Edhe e ashtuquajtura Anomali Atomike që tregon ekzistencën e grimcave mund të jetë një gabim eksperimental, por gjithashtu mund të jetë një shenjë e tejkalimit të Modelit Standard. Metodat e ndryshme të matjes së universit japin vlera të ndryshme për shpejtësinë e zgjerimit të tij - një problem që e kemi shqyrtuar në detaje në një nga numrat e fundit të MT.

Megjithatë, asnjë nga këto anomali nuk jep rezultate mjaft bindëse për t'u konsideruar si një shenjë e padiskutueshme e fizikës së re. Çdo ose të gjitha këto mund të jenë thjesht luhatje statistikore ose një instrument i kalibruar gabimisht. Shumë prej tyre mund të tregojnë për fizikën e re, por ato mund të shpjegohen po aq lehtë duke përdorur grimcat dhe fenomenet e njohura në kontekstin e relativitetit të përgjithshëm dhe Modelit Standard.

Ne planifikojmë të eksperimentojmë, duke shpresuar për rezultate dhe rekomandime më të qarta. Së shpejti mund të shohim nëse energjia e errët ka një vlerë konstante. Bazuar në studimet e planifikuara të galaktikave nga Observatori Vera Rubin dhe të dhënat mbi supernovat e largëta që do të vihen në dispozicion në të ardhmen. teleskopi nancy grace, më parë WFIRST, ne duhet të zbulojmë nëse energjia e errët evoluon me kalimin e kohës brenda 1%. Nëse po, atëherë modeli ynë "standard" kozmologjik do të duhet të ndryshohet. Është e mundur që antena e interferometrit lazer hapësinor (LISA) në plan të na japë edhe surpriza. Shkurtimisht, ne po llogarisim në mjetet e vëzhgimit dhe eksperimentet që po planifikojmë.

Ne jemi ende duke punuar në fushën e fizikës së grimcave, duke shpresuar të gjejmë fenomene jashtë Modelit, si një matje më e saktë e momenteve magnetike të elektronit dhe muonit - nëse nuk pajtohen, shfaqet fizika e re. Ne jemi duke punuar për të kuptuar se si ato luhaten neutrino – edhe këtu shkëlqen fizika e re. Dhe nëse ndërtojmë një përplasës të saktë elektron-pozitron, qoftë rrethor ose linear (2), do të jemi në gjendje të zbulojmë gjëra përtej Modelit Standard që LHC ende nuk mund t'i zbulojë. Në botën e fizikës, një version më i madh i LHC me një perimetër deri në 100 km është propozuar prej kohësh. Kjo do të prodhonte energji më të larta përplasjeje, të cilat, sipas shumë fizikanëve, më në fund do të sinjalizonin fenomene të reja. Megjithatë, ky është një investim jashtëzakonisht i shtrenjtë, dhe ndërtimi i një gjiganti vetëm mbi parimin "le ta ndërtojmë dhe të shohim se çfarë na tregon" ngre shumë dyshime.

2. Përplasësi linear lepton - vizualizimi

Ekzistojnë dy lloje të qasjeve ndaj problemeve në shkencën fizike. E para është një qasje komplekse, i cili konsiston në hartimin e ngushtë të një eksperimenti ose një observatori për zgjidhjen e një problemi specifik. Qasja e dytë quhet metoda e forcës brutale.i cili zhvillon një eksperiment ose observator universal, që shtyn kufijtë për të eksploruar universin në një mënyrë krejtësisht të re sesa qasjet tona të mëparshme. E para është e orientuar më mirë në Modelin Standard. E dyta ju lejon të gjeni gjurmë të diçkaje më shumë, por, për fat të keq, kjo diçka nuk është përcaktuar saktësisht. Pra, të dyja metodat kanë të metat e tyre.

Kërkoni të ashtuquajturën Teoria e Gjithçkaje (TUT), graali i shenjtë i fizikës, duhet të vendoset në kategorinë e dytë, pasi më shpesh bëhet fjalë për gjetjen e energjive gjithnjë e më të larta (3), në të cilat forcat e natyra përfundimisht kombinohet në një ndërveprim.

3. Energjitë e nevojshme për një unifikimi hipotetik të ndërveprimeve

Neutrino Nisforn

Kohët e fundit, shkenca është fokusuar gjithnjë e më shumë në fusha më interesante, siç është kërkimi i neutrinos, për të cilin së fundmi kemi publikuar një raport të gjerë në MT. Në shkurt 2020, Astrophysical Journal publikoi një botim në lidhje me zbulimin e neutrinos me energji të lartë me origjinë të panjohur në Antarktidë. Përveç eksperimentit të mirënjohur, kërkime u kryen edhe në kontinentin e ftohtë me emrin e koduar ANITA (), që konsiston në lëshimin e një tullumbace me një sensor. valët e radios.

Të dyja dhe ANITA u krijuan për të kërkuar valë radio nga neutrinot me energji të lartë që përplasen me lëndën e ngurtë që përbën akullin. Avi Loeb, kryetar i Departamentit të Astronomisë në Harvard, shpjegoi në faqen e internetit të Salon: “Ngjarjet e zbuluara nga ANITA sigurisht që duken si një anomali, sepse ato nuk mund të shpjegohen si neutrino nga burimet astrofizike. (...) Mund të jetë një lloj grimce që ndërvepron më dobët se një neutrino me materien e zakonshme. Ne dyshojmë se grimca të tilla ekzistojnë si lëndë e errët. Por çfarë i bën ngjarjet ANITA kaq energjike?

Neutrinot janë të vetmet grimca të njohura që shkelin Modelin Standard. Sipas Modelit Standard të grimcave elementare, duhet të kemi tre lloje neutrinosh (elektronike, muonike dhe tau) dhe tre lloje antineutrinesh dhe pas formimit të tyre duhet të jenë të qëndrueshme dhe të pandryshuara në vetitë e tyre. Që në vitet 60, kur u shfaqën llogaritjet dhe matjet e para të neutrinoteve të prodhuara nga Dielli, kuptuam se kishte një problem. Ne e dinim se në sa neutrino elektronike u formuan bërthama diellore. Por kur matëm sa mbërritën, pamë vetëm një të tretën e numrit të parashikuar.

Ose diçka nuk shkon me detektorët tanë, ose diçka nuk është në rregull me modelin tonë të Diellit, ose diçka nuk është në rregull me vetë neutrinot. Eksperimentet e reaktorit hodhën poshtë shpejt nocionin se diçka nuk shkonte me detektorët tanë (4). Ata punuan siç pritej dhe performanca e tyre u vlerësua shumë mirë. Neutrinot që zbuluam u regjistruan në proporcion me numrin e neutrinot që mbërrinin. Për dekada, shumë astronomë kanë argumentuar se modeli ynë diellor është i gabuar.

4. Imazhet e ngjarjeve të neutrinos në rrezatimin Cherenkov nga detektori Super Kamiokande

Sigurisht, ekzistonte një mundësi tjetër ekzotike që, nëse është e vërtetë, do të ndryshonte kuptimin tonë për universin nga ajo që parashikonte Modeli Standard. Ideja është që tre llojet e neutrinos që ne njohim në fakt kanë masë, jo ligët, dhe se ato mund të përzihen (luhaten) për të ndryshuar shijet nëse kanë energji të mjaftueshme. Nëse neutrinoja aktivizohet në mënyrë elektronike, ajo mund të ndryshojë gjatë rrugës për në muon i taonpor kjo është e mundur vetëm kur ka masë. Shkencëtarët janë të shqetësuar për problemin e neutrinos së djathtë dhe të majtë. Sepse nëse nuk mund ta dallosh, nuk mund të dallosh nëse është grimcë apo kundërgrimcë.

A mund të jetë një neutrino antigrimca e saj? Jo sipas modelit standard të zakonshëm. Fermionnë përgjithësi ato nuk duhet të jenë antigrimca të tyre. Një fermion është çdo grimcë me një rrotullim prej ± XNUMX/XNUMX. Kjo kategori përfshin të gjithë kuarkët dhe leptonet, duke përfshirë neutrinot. Sidoqoftë, ekziston një lloj i veçantë fermionesh, i cili deri më tani ekziston vetëm në teori - fermioni Majorana, i cili është antigrimca e tij. Nëse do të ekzistonte, diçka e veçantë mund të ndodhte... pa neutrino zbërthimi i dyfishtë beta. Dhe këtu është një shans për eksperimentuesit që kanë kohë që kërkojnë një hendek të tillë.

Në të gjitha proceset e vëzhguara që përfshijnë neutrinot, këto grimca shfaqin një veti që fizikanët e quajnë mëngjarash. Neutrinot me dorën e djathtë, të cilat janë shtrirja më e natyrshme e Modelit Standard, nuk mund të shihen askund. Të gjitha grimcat e tjera MS kanë një version të dorës së djathtë, por neutrinot jo. Pse? Analiza e fundit, jashtëzakonisht gjithëpërfshirëse nga një ekip ndërkombëtar fizikanësh, duke përfshirë Institutin e Fizikës Bërthamore të Akademisë së Shkencave Polake (IFJ PAN) në Krakov, ka bërë kërkime mbi këtë çështje. Shkencëtarët besojnë se mungesa e vëzhgimit të neutrinos me dorën e djathtë mund të vërtetojë se ato janë fermione Majorana. Nëse do të ishin, atëherë versioni i tyre në anën e djathtë është jashtëzakonisht masiv, gjë që shpjegon vështirësinë e zbulimit.

Megjithatë ne ende nuk e dimë nëse neutrinot janë vetë antigrimca. Ne nuk e dimë nëse ata e marrin masën e tyre nga lidhja shumë e dobët e bosonit Higgs, apo nëse e marrin atë përmes ndonjë mekanizmi tjetër. Dhe ne nuk e dimë, ndoshta sektori i neutrinos është shumë më kompleks sesa mendojmë, me neutrino sterile ose të rënda që përgjojnë në errësirë.

Atomet dhe anomalitë e tjera

Në fizikën e grimcave elementare, përveç neutrinos në modë, ka fusha të tjera, më pak të njohura të kërkimit nga të cilat "fizika e re" mund të shkëlqejë. Shkencëtarët, për shembull, kohët e fundit kanë propozuar një lloj të ri të grimcave nënatomike për të shpjeguar enigmën kaon prishje (5), një rast i veçantë i një grimce mezone që përbëhet nga një kuark i një tregtar antike. Kur grimcat e kaonit prishen, një pjesë e vogël e tyre pësojnë ndryshime që i habitën shkencëtarët. Stili i këtij zbërthimi mund të tregojë një lloj të ri grimcash ose një forcë të re fizike në punë. Kjo është jashtë fushëveprimit të Modelit Standard.

Ka më shumë eksperimente për të gjetur boshllëqe në Modelin Standard. Këto përfshijnë kërkimin e muonit g-2. Pothuajse njëqind vjet më parë, fizikani Paul Dirac parashikoi momentin magnetik të një elektroni duke përdorur g, një numër që përcakton vetitë e rrotullimit të një grimce. Pastaj matjet treguan se "g" është paksa e ndryshme nga 2, dhe fizikanët filluan të përdorin ndryshimin midis vlerës aktuale të "g" dhe 2 për të studiuar strukturën e brendshme të grimcave nënatomike dhe ligjet e fizikës në përgjithësi. Në vitin 1959, CERN në Gjenevë, Zvicër, kreu eksperimentin e parë që mati vlerën g-2 të një grimce nënatomike të quajtur muon, e lidhur me një elektron, por e paqëndrueshme dhe 207 herë më e rëndë se një grimcë elementare.

Laboratori Kombëtar Brookhaven në Nju Jork filloi eksperimentin e tij dhe publikoi rezultatet e eksperimentit të tyre g-2 në 2004. Matja nuk ishte ajo që parashikonte Modeli Standard. Megjithatë, eksperimenti nuk mblodhi të dhëna të mjaftueshme për analiza statistikore për të vërtetuar përfundimisht se vlera e matur ishte me të vërtetë e ndryshme dhe jo vetëm një luhatje statistikore. Qendra të tjera kërkimore po kryejnë tani eksperimente të reja me g-2, dhe ne ndoshta do t'i dimë rezultatet së shpejti.

Ka diçka më intriguese se kjo Anomalitë e kaonit i muon. Në vitin 2015, një eksperiment mbi kalbjen e beriliumit 8Be tregoi një anomali. Shkencëtarët në Hungari përdorin detektorin e tyre. Rastësisht, megjithatë, ata zbuluan, ose menduan se zbuluan, gjë që sugjeron ekzistencën e një force të pestë themelore të natyrës.

Fizikanët nga Universiteti i Kalifornisë u interesuan për studimin. Ata sugjeruan që fenomeni të thirret anomali atomike, u shkaktua nga një grimcë krejtësisht e re, e cila supozohej të mbante forcën e pestë të natyrës. Quhet X17 sepse masa e tij korresponduese mendohet të jetë gati 17 milionë elektron volt. Kjo është 30 herë masa e një elektroni, por më pak se masa e një protoni. Dhe mënyra se si X17 sillet me një proton është një nga karakteristikat e tij më të çuditshme - domethënë, ai nuk ndërvepron fare me një proton. Në vend të kësaj, ai ndërvepron me një elektron ose neutron të ngarkuar negativisht, i cili nuk ka fare ngarkesë. Kjo e bën të vështirë përshtatjen e grimcave X17 në Modelin tonë standard aktual. Bozonët shoqërohen me forca. Gluonët janë të lidhur me forcën e fortë, bozonet me forcën e dobët dhe fotonet me elektromagnetizmin. Ekziston edhe një bozon hipotetik për gravitetin që quhet graviton. Si një bozon, X17 do të mbajë një forcë të vetën, siç është ajo që deri më tani ka qenë një mister për ne dhe mund të jetë.

Universi dhe drejtimi i tij i preferuar?

Në një punim të botuar këtë prill në revistën Science Advances, shkencëtarët në Universitetin e Uellsit të Ri Jugor në Sidnei raportuan se matjet e reja të dritës së emetuar nga një kuazar 13 miliardë vite dritë larg konfirmojnë studimet e mëparshme që gjetën ndryshime të vogla në strukturën e imët konstante. të universit. Profesor John Webb nga UNSW (6) shpjegon se konstanta e strukturës së imët "është një sasi që fizikanët e përdorin si masë të forcës elektromagnetike". forcë elektromagnetike mban elektronet rreth bërthamave në çdo atom në univers. Pa të, e gjithë materia do të shkatërrohej. Deri vonë, ajo konsiderohej një forcë konstante në kohë dhe hapësirë. Por në kërkimin e tij gjatë dy dekadave të fundit, profesor Ueb ka vënë re një anomali në strukturën e imët të fortë në të cilën forca elektromagnetike, e matur në një drejtim të zgjedhur në univers, duket se është gjithmonë paksa e ndryshme.

"," shpjegon Webb. Mospërputhjet nuk u shfaqën në matjet e ekipit australian, por në krahasimin e rezultateve të tyre me shumë matje të tjera të dritës kuazar nga shkencëtarë të tjerë.

"," thotë profesor Ueb. "". Sipas tij, rezultatet duket se sugjerojnë se mund të ketë një drejtim të preferuar në univers. Me fjalë të tjera, universi në njëfarë kuptimi do të kishte një strukturë dipole.

"" thotë shkencëtari për anomalitë e theksuara.

Kjo është edhe një gjë tjetër: në vend të asaj që mendohej të ishte një shpërndarje e rastësishme e galaktikave, kuazareve, reve të gazit dhe planetëve me jetë, Universi papritmas ka një homolog verior dhe jugor. Profesor Webb është megjithatë i gatshëm të pranojë se rezultatet e matjeve nga shkencëtarët e kryera në faza të ndryshme duke përdorur teknologji të ndryshme dhe nga vende të ndryshme në Tokë janë në fakt një rastësi e madhe.

Webb thekson se nëse ka drejtim në univers dhe nëse elektromagnetizmi rezulton të jetë paksa i ndryshëm në rajone të caktuara të kozmosit, konceptet më themelore që qëndrojnë në themel të pjesës më të madhe të fizikës moderne do të duhet të rishqyrtohen. "", flet. Modeli bazohet në teorinë e gravitetit të Ajnshtajnit, e cila supozon në mënyrë eksplicite qëndrueshmërinë e ligjeve të natyrës. Dhe nëse jo, atëherë... mendimi për të përmbysur të gjithë ndërtesën e fizikës është befasues.