Жаңы физика көптөгөн жерлерден жаркырап турат

Биз физиканын стандарттык моделине (1) же жалпы салыштырмалуулук теориясына, биздин ааламдын эң мыкты эки (бирок бири-бирине дал келбеген) теорияларына киргизгибиз келген бардык мүмкүн болгон өзгөрүүлөр ансыз деле чектелүү. Башка сөз менен айтканда, сиз бүтүн бузбай туруп, көп нерсени өзгөртө албайсыз.

Чындыгында бизге белгилүү болгон моделдердин негизинде түшүндүрүүгө болбой турган натыйжалар жана кубулуштар да бар. Демек, биз бардыгын түшүнүксүз же карама-каршы келген теориялар менен шайкеш келтирүү үчүн бардык күчүбүздү жумшашыбыз керекпи же жаңыларын издешибиз керекпи? Бул заманбап физиканын негизги суроолорунун бири.

Бөлүкчөлөр физикасынын Стандарттык модели бөлүкчөлөрдүн ортосундагы мурда байкалган белгилүү жана ачылган өз ара аракеттенүүнү ийгиликтүү түшүндүрдү. Аалам андан турат .Элементардык, лептонов жана жаратылыштагы төрт негизги күчтүн үчөөнү өткөрүүчү жана бөлүкчөлөргө тынчтык массасын берген ченегич бозондор. Ошондой эле жалпы салыштырмалуулук бар, биздин, тилекке каршы, ааламдагы мейкиндик-убакыт, материя жана энергиянын ортосундагы байланышты сүрөттөгөн тартылуунун кванттык теориясы эмес.

Бул эки теориянын чегинен чыгуунун кыйынчылыгы, эгер сиз аларды жаңы элементтерди, түшүнүктөрдү жана чоңдуктарды киргизүү менен өзгөртүүгө аракет кылсаңыз, анда бизде болгон өлчөөлөргө жана байкоолорго карама-каршы келген натыйжаларды аласыз. Ошондой эле, эгерде сиз биздин азыркы илимий негиздерибизден чыккыңыз келсе, далилдөө түйшүгү абдан чоң экенин эстен чыгарбоо керек. Башка жагынан алып караганда, ондогон жылдар бою сыналып келген моделдерди жокко чыгарган адамдан мынчалык көп нерсени күтпөй коюу кыйын.

Мындай талаптардын алдында физикадагы азыркы парадигмага толук каршы чыгууга эч ким аракет кылбаганы таң калыштуу эмес. Эгер ошондой болсо, анда ал жөнөкөй текшерүүлөрдөн бат эле мүдүрүлгөндүктөн, олуттуу кабыл алынбайт. Демек, эгерде биз потенциалдуу тешиктерди көрсөк, анда булар бир жерде бир нерсе жаркырап жатканын билдирген рефлекторлор, бирок ал жакка баруунун кереги барбы же жокпу белгисиз.

Белгилүү физика ааламды башкара албайт

Бул "толугу менен жаңы жана башкача" жаркыраган мисалдар? Мисалы, Аалам стандарттык моделдин бөлүкчөлөрү менен толтурулган жана жалпы салыштырмалуулук теориясына баш ийет деген билдирүүгө карама-каршы көрүнгөн артка кайтуу ылдамдыгын байкоо. Биз, балким, бул кубулушту түшүндүрүү үчүн тартылуу жеке булактары, галактикалар, галактикалардын кластерлери, ал тургай, улуу космостук желе жетишсиз экенин билебиз. Стандарттык моделде материя менен антиматерия бирдей өлчөмдө жаралып, жок кылынышы керек деп айтылганы менен, биз аз сандагы антиматерия менен көбүнчө материядан турган ааламда жашап жатканыбызды билебиз. Башкача айтканда, ааламда көргөн нерселердин баарын «белгилүү физика» түшүндүрө албасын көрөбүз.

Көптөгөн эксперименттер күтүлбөгөн натыйжаларды берди, алар жогорку деңгээлде текшерилсе, революциялык болушу мүмкүн. Ал тургай, бөлүкчөлөрдүн бар экенин көрсөткөн Атомдук аномалия деп аталган нерсе эксперименталдык ката болушу мүмкүн, бирок ал Стандарттык Моделдин чегинен чыгуунун белгиси болушу мүмкүн. Ааламды өлчөөнүн ар кандай ыкмалары анын кеңейүү ылдамдыгы үчүн ар кандай маанилерди берет - бул көйгөйдү биз МТнын акыркы чыгарылыштарынын биринде кеңири карап чыктык.

Бирок, бул аномалиялардын эч бири жаңы физиканын талашсыз белгиси катары карала тургандай ынандырарлык жыйынтыктарды бербейт. Булардын баары же алардын баары жөн гана статистикалык термелүүлөр же туура эмес калибрленген инструмент болушу мүмкүн. Алардын көбү жаңы физикага ишарат кылышы мүмкүн, бирок алар жалпы салыштырмалуулук жана Стандарттык моделдин контекстинде белгилүү бөлүкчөлөр менен кубулуштарды колдонуу менен оңой эле түшүндүрүлөт.

Биз так натыйжаларга жана сунуштарга үмүттөнүп, эксперимент жүргүзүүнү пландаштырып жатабыз. Биз жакында кара энергиянын туруктуу мааниси бар-жогун көрүшүбүз мүмкүн. Вера Рубин обсерваториясынын пландалган галактика изилдөөлөрүнө жана келечекте жеткиликтүү боло турган алыскы суперновалар жөнүндөгү маалыматтарга негизделген. Нэнси Грейс телескобу, мурда WFIRST, биз кара энергия убакыттын өтүшү менен 1% чегинде өнүгүп же өнүгөрүн билишибиз керек. Андай болсо, анда биздин «стандарттык» космологиялык моделибизди өзгөртүүгө туура келет. План боюнча космостук лазердик интерферометр антеннасы (LISA) да бизге сюрприздерди бериши мүмкүн. Кыскасы, биз пландаштырып жаткан байкоочу унааларга жана эксперименттерге ишенип жатабыз.

Биз дагы эле бөлүкчөлөр физикасы тармагында иштеп жатабыз, Моделден тышкаркы кубулуштарды табабыз деп үмүттөнөбүз, мисалы, электрон менен мюондун магниттик моменттерин так өлчөө - эгерде алар макул болбосо, жаңы физика пайда болот. Биз алардын кандайча өзгөрүп жатканын аныктоо үчүн иштеп жатабыз нейтрино – Бул жерде да жаңы физика жаркырап турат. Жана эгер биз так электрон-позитрон коллайдерин, тегерек же сызыктуу (2) курсак, LHC азырынча аныктай албаган Стандарттык Моделден тышкары нерселерди таба алабыз. Физика дүйнөсүндө айланасы 100 кмге жеткен LHCтин чоңураак версиясы көптөн бери сунушталып келет. Бул көптөгөн физиктердин пикири боюнча, акыры жаңы кубулуштарды билдире турган жогорку кагылышуу энергиясын берет. Бирок, бул өтө кымбат инвестиция, алпты «куруп көрөлү, көрөлү, бизге эмне көрсөтөт» деген принцип боюнча гана курулушу көптөгөн күмөндөрдү жаратат.

2. Сызыктуу лептон коллайдери – визуализация

Физика илиминде маселелерге мамиле кылуунун эки түрү бар. Биринчиси - комплекстүү мамиле, бул конкреттүү маселени чечүү үчүн эксперименттин же обсерваториянын тар конструкциясынан турат. Экинчи ыкма катаал күч ыкмасы деп аталат.Ааламды биздин мурунку ыкмаларга караганда таптакыр жаңы жол менен изилдөө үчүн универсалдуу, чек араны түртүүчү экспериментти же обсерваторияны иштеп чыккан адам. Биринчиси Стандарттык моделде жакшыраак багытталган. Экинчиси дагы бир нерсенин издерин табууга мүмкүндүк берет, бирок, тилекке каршы, бул нерсе так аныкталган эмес. Ошентип, эки ыкманын өз кемчиликтери бар.

Ар бир нерсенин теориясын (ТБТ) деп аталган нерсени, физиканын ыйык данасын экинчи категорияга коюу керек, анткени ал көбүнчө жогорку жана жогорку энергияларды (3) табууга туура келет. табият акыры бир өз ара биригишет.

3. Өз ара аракеттенүүнүн гипотетикалык унификациясы үчүн зарыл болгон энергиялар

Нисфорн нейтрино

Акыркы убакта илим нейтрино изилдөөлөрү сыяктуу кызыктуу чөйрөлөргө көбүрөөк көңүл бура баштады, алар боюнча биз жакында МТда кеңири баяндама жарыяладык. 2020-жылдын февраль айында Astrophysical Journal Антарктидада келип чыгышы белгисиз жогорку энергиялуу нейтринолордун ачылышы жөнүндө басылманы жарыялаган. Белгилүү эксперименттен тышкары, аяздуу континентте ANITA () коддук аталышы менен изилдөө да жүргүзүлдү, ал сенсор менен шарды чыгаруудан турат. радио толкундар.

Экөө тең жана ANITA музду түзгөн катуу зат менен кагылышып, жогорку энергиялуу нейтринолордун радио толкундарын издөө үчүн иштелип чыккан. Гарварддын астрономия бөлүмүнүн төрагасы Ави Лоеб Салондун веб-сайтында мындай деп түшүндүрдү: «ANITA тарабынан аныкталган окуялар, албетте, аномалиядай сезилет, анткени аларды астрофизикалык булактардан нейтрино катары түшүндүрүүгө болбойт. (...) Бул кадимки зат менен нейтриного караганда алсызыраак аракеттенген кандайдыр бир бөлүкчө болушу мүмкүн. Биз мындай бөлүкчөлөр караңгы зат катары бар деп шектенебиз. Бирок ANITA окуяларын мынчалык энергиялуу кылган эмне?

Нейтрино стандарттык моделди бузган жалгыз белгилүү бөлүкчөлөр. Элементардык бөлүкчөлөрдүн Стандарттык модели боюнча бизде нейтринолордун үч түрү (электрондук, мюон жана тау) жана антинейтринолордун үч түрү болушу керек жана алар түзүлгөндөн кийин алар туруктуу жана касиеттери боюнча өзгөрүүсүз болушу керек. 60-жылдардан баштап, Күн чыгарган нейтринолордун алгачкы эсептөөлөрү жана өлчөөлөрү пайда болгондо, биз бир көйгөй бар экенин түшүндүк. Канча электрон нейтринодо пайда болгонун билчүбүз күн өзөгү. Бирок канча келгенин өлчөгөнүбүздө болжолдонгон сандын үчтөн бирин гана көрдүк.

Же биздин детекторлорубузда бир нерсе туура эмес, же Күн моделибизде бир нерсе туура эмес, же нейтринолордун өздөрү менен бир нерсе туура эмес. Реактордун эксперименттери биздин детекторлордо бир нерсе туура эмес деген түшүнүктү тез эле жокко чыгарды (4). Алар күтүлгөндөй иштешти жана алардын аткаруусу абдан жакшы бааланды. Биз тапкан нейтринолор келген нейтринолордун санына пропорционалдуу түрдө катталган. Ондогон жылдар бою көптөгөн астрономдор биздин күндүн модели туура эмес деп талашып келишет.

4. Super Kamiokande детекторунан Черенков радиациясындагы нейтрино окуяларынын сүрөттөрү

Албетте, эгер чын болсо, биздин аалам жөнүндөгү түшүнүгүбүздү Стандарттык Модел алдын ала айткандан өзгөртүп жибере турган дагы бир экзотикалык мүмкүнчүлүк бар болчу. Идея биз билген нейтринолордун үч түрү чындыгында массага ээ эмес арык, жана алар жетиштүү энергияга ээ болсо, даамдарды өзгөртүү үчүн аралаштыра алат (өзгөрө алат). Эгерде нейтрино электрондук түрдө иштетилсе, ал жолдо өзгөрүшү мүмкүн муон i taonsбирок бул массалуу болгондо гана мумкун. Окумуштууларды оң жана сол колдуу нейтринолордун көйгөйү тынчсыздандырууда. Анткени аны ажырата албасаң, анын бөлүкчө же антибөлүкчө экенин ажырата албайсың.

Нейтрино өзүнүн антибөлүкчөсү боло алабы? Кадимки Стандарттык моделге ылайык эмес. Фермионжалпысынан алар өздөрүнүн антибөлүкчөлөрү болбошу керек. Фермион - айлануусу ± XNUMX/XNUMX болгон ар кандай бөлүкчө. Бул категория бардык кварктарды жана лептондорду, анын ичинде нейтринолорду камтыйт. Бирок фермиондордун өзгөчө бир түрү бар, ал азырынча теориялык жактан гана бар - өзүнүн антибөлүкчөсү болгон Майорана фермиону. Эгер ал бар болсо, өзгөчө бир нерсе болуп кетиши мүмкүн ... нейтрино бекер кош бета ажыроо. Ал эми мындай боштукту көптөн бери издеп жүргөн экспериментаторлор үчүн бул жерде мүмкүнчүлүк.

Нейтринолорду камтыган бардык байкалган процесстерде бул бөлүкчөлөр физиктер сологойлук деп атаган касиетти көрсөтүшөт. Стандарттык моделдин эң табигый уландысы болгон оң ​​колдуу нейтринолорду эч жерде көрүүгө болбойт. Бардык башка MS бөлүкчөлөрүнүн оң-тараптуу версиясы бар, бирок нейтринодо жок. Неге? Физиктердин эл аралык тобу, анын ичинде Краковдогу Польшанын Илимдер Академиясынын Ядролук физика институту (IFJ PAN) акыркы, өтө толук анализи бул маселе боюнча изилдөө жүргүздү. Окумуштуулар оң колдуу нейтринолорду байкоонун жоктугу алардын майорана фермиондору экенин далилдей алат деп эсептешет. Эгерде алар болгон болсо, анда алардын оң жактуу версиясы өтө массивдүү, бул аныктоонун кыйынчылыгын түшүндүрөт.

Бирок биз дагы эле нейтринолордун антибөлүкчөлөр экенин билбейбиз. Алар массасын Хиггс бозонун өтө алсыз байланышынан алышабы же башка механизм аркылуу алышабы, билбейбиз. Жана биз билбейбиз, балким нейтрино сектору биз ойлогондон алда канча татаал, караңгыда стерилденген же оор нейтринолор менен.

Атомдор жана башка аномалиялар

Элементардык бөлүкчөлөр физикасында модалуу нейтринодон тышкары, "жаңы физика" жаркырап чыга турган изилдөөнүн анча белгилүү эмес башка багыттары бар. Окумуштуулар, мисалы, жакында эле табышмактуу нерсени түшүндүрүү үчүн субатомдук бөлүкчөлөрдүн жаңы түрүн сунушташты. каон ажыроо (5), турган мезон бөлүкчөлөрүнүн өзгөчө учуру бир кварк i бир антиквариат сатуучу. Каон бөлүкчөлөрү чирип кеткенде, алардын кичинекей бөлүгү илимпоздорду таң калтырган өзгөрүүлөргө дуушар болот. Бул ажыроо стили бөлүкчөлөрдүн жаңы түрүн же жумушта жаңы физикалык күчтү көрсөтүшү мүмкүн. Бул Стандарттык моделдин алкагына кирбейт.

Стандарттык моделдеги боштуктарды табуу үчүн дагы эксперименттер бар. Алардын ичине g-2 муонду издөө кирет. Дээрлик жүз жыл мурун физик Пол Дирак бөлүкчөнүн спиндик касиеттерин аныктаган g санды колдонуп электрондун магниттик моментин алдын ала айткан. Андан кийин өлчөөлөр көрсөткөндөй, "g" 2ден бир аз айырмаланып, физиктер "g" менен 2дин чыныгы маанисинин ортосундагы айырманы субатомдук бөлүкчөлөрдүн ички түзүлүшүн жана жалпы эле физиканын мыйзамдарын изилдөө үчүн колдоно башташкан. 1959-жылы Женевадагы (Швейцария) CERN биринчи экспериментти өткөргөн, анда муон деп аталган субатомдук бөлүкчөнүн g-2 маанисин өлчөгөн, электрон менен байланышкан, бирок туруксуз жана элементардык бөлүкчөдөн 207 эсе оор.

Нью-Йорктогу Брукхавен улуттук лабораториясы өзүнүн экспериментин баштады жана 2-жылы алардын g-2004 экспериментинин жыйынтыгын жарыялады. Өлчөө Стандарттык моделде алдын ала айтылгандай болгон эмес. Бирок, эксперимент өлчөнгөн маани статистикалык термелүү эмес, чындап эле ар кандай экенин далилдөө үчүн статистикалык талдоо үчүн жетиштүү маалыматтарды чогулткан жок. Башка изилдөө борборлору азыр g-2 менен жаңы эксперименттерди жүргүзүп жатышат, балким, биз жакында жыйынтыктарды билебиз.

Мындан да кызык нерсе бар Каон аномалиялары i муон. 2015-жылы бериллий 8Be чиришине жасалган эксперимент аномалияны көрсөткөн. Венгриянын окумуштуулары өздөрүнүн детекторун колдонушат. Бирок, кокусунан, алар табияттын бешинчи фундаменталдуу күчү бар экенин көрсөтүп турат, алар ачкан же ойлоп тапкан.

Калифорния университетинин физиктери изилдөөгө кызыгышкан. Алар феномен чакырды деп сунушташкан атом аномалиясы, жаратылыштын бешинчи күчүн алып жүрүүгө тийиш болгон таптакыр жаңы бөлүкчөдөн пайда болгон. Ал X17 деп аталат, анткени анын тиешелүү массасы 17 миллион электрон вольт деп эсептелет. Бул электрондун массасынан 30 эсе көп, бирок протондун массасынан аз. Ал эми X17 протон менен өзүн алып жүрүүсү анын эң таң калыштуу өзгөчөлүктөрүнүн бири – башкача айтканда, протон менен такыр аракеттенбейт. Анын ордуна, ал эч кандай заряды жок терс заряддуу электрон же нейтрон менен өз ара аракеттенет. Бул X17 бөлүкчөсүн азыркы Стандарттык моделге тууралоону кыйындатат. Бозондор күчтөр менен байланышкан. Глюондор күчтүү күч менен, бозондор алсыз күч менен, фотондор электромагнетизм менен байланышкан. Атүгүл гравитон деп аталган тартылуу үчүн гипотетикалык бозон бар. Бозон катары, X17 өзүнө таандык күчтү алып жүрөт, мисалы, ушул убакка чейин биз үчүн сыр болуп келген жана болушу мүмкүн.

Аалам жана анын артыкчылыктуу багыты?

Ушул жылдын апрель айында Science Advances журналында жарыяланган макалада Сиднейдеги Жаңы Түштүк Уэльс университетинин илимпоздору 13 миллиард жарык жылы алыстыкта ​​жайгашкан квазар чыгарган жарыктын жаңы өлчөөлөрү мурунку изилдөөлөрдү тастыктап, майда туруктуу түзүмдө кичине өзгөрүүлөрдү тапканын айтышкан. ааламдын. Профессор Джон Уэбб UNSWден (6) майда структура константасы «физиктер электромагниттик күчтүн өлчөмү катары колдонгон чоңдук» деп түшүндүрөт. электромагниттик күч Ааламдагы ар бир атомдун ядросунун айланасында электрондорду кармап турат. Ансыз бардык материя кыйрап калат. Акыркы убакка чейин ал убакыттын жана мейкиндиктин туруктуу күчү деп эсептелген. Бирок акыркы жыйырма жыл ичиндеги изилдөөсүндө профессор Уэбб катуу майда түзүлүштөгү аномалияны байкаган, анда ааламда бир тандалган багытта өлчөнгөн электромагниттик күч ар дайым бир аз башкача сезилет.

"" деп түшүндүрөт Уэбб. Дал келбестиктер австралиялык команданын өлчөөлөрүндө эмес, алардын натыйжаларын башка окумуштуулар тарабынан жасалган квазар жарыгынын башка көптөгөн өлчөөлөрү менен салыштырганда пайда болгон.

"" дейт профессор Уэбб. "". Анын пикиринде, натыйжалар ааламда артыкчылыктуу багыт болушу мүмкүн экенин көрсөтүп тургандай. Башкача айтканда, аалам кандайдыр бир мааниде диполдук түзүлүшкө ээ болмок.

"" Белгиленген аномалиялар жөнүндө окумуштуу дейт.

Бул дагы бир нерсе: галактикалардын, квазарлардын, газ булуттарынын жана жашоо менен планеталардын туш келди таралышынын ордуна, аалам күтүлбөгөн жерден түндүк жана түштүк окшошуна ээ болду. Профессор Уэбб ошентсе да илимпоздор тарабынан ар кандай технологияларды колдонуу менен жана жердин ар кайсы жеринен ар кандай этаптарда жүргүзүлгөн өлчөөлөрдүн натыйжалары чындыгында чоң бир кокустук экенин моюнга алууга даяр.

Уэбб белгилегендей, эгер ааламда багыт бар болсо жана электромагнетизм космостун кээ бир аймактарында бир аз башкача болуп чыкса, азыркы физиканын көпчүлүк бөлүгүндөгү эң негизги түшүнүктөрдү кайра карап чыгуу керек болот. "", сүйлөйт. Модель Эйнштейндин тартылуу теориясына негизделген, ал табият мыйзамдарынын туруктуулугун ачык эле болжолдойт. А эгер андай болбосо, анда... физиканын бүтүндөй имаратын айландыруу ою укмуштуудай.