Fiżika ġdida tiddi minn ħafna postijiet

Kwalunkwe tibdil possibbli li nixtiequ nagħmlu lill-Mudell Standard tal-fiżika (1) jew tar-relattività ġenerali, l-aqwa żewġ teoriji tagħna (għalkemm inkompatibbli) tal-univers, huma diġà limitati ħafna. Fi kliem ieħor, ma tistax tbiddel ħafna mingħajr ma timmina l-intier.

Il-fatt hu li hemm ukoll riżultati u fenomeni li ma jistgħux jiġu spjegati fuq il-bażi tal-mudelli magħrufa magħna. Mela għandna noħorġu biex nagħmlu kollox inspjegabbli jew inkonsistenti bi kwalunkwe spiża konsistenti mat-teoriji eżistenti, jew għandna nfittxu oħrajn ġodda? Din hija waħda mill-mistoqsijiet fundamentali tal-fiżika moderna.

Il-Mudell Standard tal-fiżika tal-partiċelli spjega b'suċċess l-interazzjonijiet kollha magħrufa u skoperti bejn il-partiċelli li qatt ġew osservati. L-univers huwa magħmul minn quarks, leptonov u gauge bosons, li jittrasmettu tlieta mill-erba 'forzi fundamentali fin-natura u jagħtu lill-partiċelli l-massa ta' mistrieħ tagħhom. Hemm ukoll relatività ġenerali, tagħna, sfortunatament, mhux teorija quantum tal-gravità, li tiddeskrivi r-relazzjoni bejn l-ispazju-ħin, il-materja u l-enerġija fl-univers.

Id-diffikultà li tmur lil hinn minn dawn iż-żewġ teoriji hija li jekk tipprova tibdelhom billi tintroduċi elementi, kunċetti u kwantitajiet ġodda, ikollok riżultati li jikkontradixxu l-kejl u l-osservazzjonijiet li diġà għandna. Ta’ min ifakkar ukoll li jekk trid tmur lil hinn mill-qafas xjentifiku attwali tagħna, il-piż tal-prova huwa enormi. Min-naħa l-oħra, huwa diffiċli li ma tistennax daqshekk minn xi ħadd li jimmina mudelli ppruvati u ttestjati għal għexieren ta 'snin.

Quddiem talbiet bħal dawn, mhuwiex sorprendenti li kważi ħadd jipprova jisfida kompletament il-paradigma eżistenti fil-fiżika. U jekk hekk, ma tittieħed bis-serjetà xejn, peress li malajr tfixkel kontrolli sempliċi. Allura, jekk naraw toqob potenzjali, allura dawn huma biss rifletturi, li jindikaw li xi ħaġa qed tiddi x'imkien, iżda mhux ċar jekk jaqbilx li tmur hemm.

Il-fiżika magħrufa ma tistax timmaniġġja l-univers

Eżempji ta 'l-shimmer ta' dan "kompletament ġdid u differenti"? Ukoll, per eżempju, osservazzjonijiet tar-rata ta 'recoil, li jidhru inkonsistenti mad-dikjarazzjoni li l-Univers huwa mimli biss b'partiċelli tal-Mudell Standard u jobdi t-teorija ġenerali tar-relattività. Aħna nafu li sorsi individwali ta 'gravità, galassji, gruppi ta' galassji, u anke l-web kożmika kbira mhumiex biżżejjed biex jispjegaw dan il-fenomenu, forsi. Nafu li, għalkemm il-Mudell Standard jgħid li l-materja u l-antimaterja għandhom jinħolqu u jinqerdu f'ammonti ugwali, ngħixu f'univers magħmul l-aktar minn materja b'ammont żgħir ta' antimaterja. Fi kliem ieħor, naraw li "fiżika magħrufa" ma tistax tispjega dak kollu li naraw fl-univers.

Ħafna esperimenti taw riżultati mhux mistennija li, jekk jiġu ttestjati f'livell ogħla, jistgħu jkunu rivoluzzjonarji. Anke l-hekk imsejħa Anomalja Atomika li tindika l-eżistenza ta 'partiċelli tista' tkun żball sperimentali, iżda tista 'tkun ukoll sinjal li tmur lil hinn mill-Mudell Standard. Metodi differenti ta 'kejl ta' l-univers jagħtu valuri differenti għar-rata ta 'espansjoni tiegħu - problema li ikkunsidrajna fid-dettall f'waħda mill-ħarġiet riċenti ta' MT.

Madankollu, l-ebda waħda minn dawn l-anomaliji ma tagħti riżultati konvinċenti biżżejjed biex titqies bħala sinjal indiskutibbli ta 'fiżika ġdida. Xi waħda minn dawn jew kollha jistgħu jkunu sempliċiment varjazzjonijiet statistiċi jew strument ikkalibrat ħażin. Ħafna minnhom jistgħu jindikaw fiżika ġdida, iżda jistgħu faċilment jiġu spjegati bl-użu ta 'partiċelli u fenomeni magħrufa fil-kuntest tar-relattività ġenerali u l-Mudell Standard.

Nippjanaw li nesperimentaw, bit-tama għal riżultati u rakkomandazzjonijiet aktar ċari. Dalwaqt nistgħu naraw jekk l-enerġija skura għandhiex valur kostanti. Ibbażat fuq studji tal-galaxie ppjanati mill-Osservatorju Vera Rubin u dejta dwar supernovae imbiegħda li għandha ssir disponibbli fil-futur. nancy grace teleskopju, qabel WFIRST, irridu nsiru nafu jekk l-enerġija skura tevolvix maż-żmien sa 1%. Jekk iva, allura l-mudell kożmoloġiku "standard" tagħna se jkollu jinbidel. Huwa possibbli li l-antenna tal-interferometru tal-laser spazjali (LISA) f'termini ta 'pjan se tagħtina wkoll sorpriżi. Fil-qosor, qed noqogħdu fuq il-vetturi ta’ osservazzjoni u l-esperimenti li qed nippjanaw.

Għadna wkoll naħdmu fil-qasam tal-fiżika tal-partiċelli, bit-tama li nsibu fenomeni barra l-Mudell, bħal kejl aktar preċiż tal-mumenti manjetiċi tal-elettron u l-muon - jekk ma jaqblux, tidher fiżika ġdida. Qed naħdmu biex insemmu kif ivarjaw newtrino – hawn ukoll, il-fiżika ġdida tiddi. U jekk nibnu collider preċiż elettron-positron, ċirkolari jew lineari (2), nistgħu niskopru affarijiet lil hinn mill-Mudell Standard li l-LHC għadu ma jistax jikxef. Fid-dinja tal-fiżika, ilha proposta verżjoni akbar tal-LHC b'ċirkonferenza sa 100 km. Dan jagħti enerġiji ta 'ħabta ogħla, li, skond ħafna fiżiċi, finalment jindikaw fenomeni ġodda. Madankollu, dan huwa investiment estremament għali, u l-kostruzzjoni ta 'ġgant biss fuq il-prinċipju - "ejja nibnuha u naraw x'se jurina" tqajjem ħafna dubji.

2. Linear lepton collider - viżwalizzazzjoni

Hemm żewġ tipi ta 'approċċ għall-problemi fix-xjenza fiżika. L-ewwel huwa approċċ kumpless, li jikkonsisti fid-disinn dejjaq ta 'esperiment jew osservatorju għas-soluzzjoni ta' problema speċifika. It-tieni approċċ jissejjaħ il-metodu tal-forza bruta.li jiżviluppa esperiment jew osservatorju universali, li jimbotta l-konfini biex jesplora l-univers b'mod kompletament ġdid mill-approċċi preċedenti tagħna. L-ewwel huwa orjentat aħjar fil-Mudell Standard. It-tieni jippermettilek issib traċċi ta 'xi ħaġa aktar, iżda, sfortunatament, din xi ħaġa mhix definita eżattament. Għalhekk, iż-żewġ metodi għandhom l-iżvantaġġi tagħhom.

Fittex l-hekk imsejħa Theory of Everything (TUT), il-Holy Grail tal-fiżika, għandha titqiegħed fit-tieni kategorija, peress li aktar spiss milli le niġu biex issib enerġiji ogħla u ogħla (3), li fihom il-forzi ta ' natura eventwalment jingħaqdu f'interazzjoni waħda.

3. Enerġiji meħtieġa għal unifikazzjoni ipotetika tal-interazzjonijiet

Neutrino Nisforn

Riċentement, ix-xjenza saret aktar u aktar iffukata fuq oqsma aktar interessanti, bħar-riċerka tan-newtrino, li dwarha reċentement ppubblikajna rapport estensiv f'MT. Fi Frar 2020, l-Astrophysical Journal ippubblika pubblikazzjoni dwar l-iskoperta ta 'newtrinos ta' enerġija għolja ta 'oriġini mhux magħrufa fl-Antartika. Minbarra l-esperiment magħruf, saret ukoll riċerka fuq il-kontinent ġlata taħt l-isem tal-kodiċi ANITA (), li tikkonsisti fir-rilaxx ta 'bużżieqa b'sensor mewġ tar-radju.

It-tnejn u ANITA kienu ddisinjati biex ifittxu mewġ tar-radju minn newtrinos ta 'enerġija għolja li jaħbtu mal-materja solida li tagħmel is-silġ. Avi Loeb, chairman tad-Dipartiment tal-Astronomija ta’ Harvard, spjega fuq il-websajt tas-Salon: “L-avvenimenti misjuba minn ANITA ċertament jidhru bħala anomalija għax ma jistgħux jiġu spjegati bħala newtrinos minn sorsi astrofiżiċi. (...) Jista 'jkun xi tip ta' partiċella li jinteraġixxi aktar dgħajfa minn newtrino ma 'materja ordinarja. Nissuspettaw li partiċelli bħal dawn jeżistu bħala materja skura. Imma x’jagħmel l-avvenimenti ANITA daqshekk enerġetiċi?”

In-newtrini huma l-uniċi partiċelli magħrufa li jiksru l-Mudell Standard. Skont il-Mudell Standard ta 'partiċelli elementari, irridu jkollna tliet tipi ta' newtrinos (elettroniċi, muon u tau) u tliet tipi ta 'antinewtrinos, u wara l-formazzjoni tagħhom għandhom ikunu stabbli u mhux mibdula fil-proprjetajiet tagħhom. Sa mis-sittinijiet, meta dehru l-ewwel kalkoli u kejl tan-newtrinos prodotti mix-Xemx, indunajna li kien hemm problema. Konna nafu kemm ġew iffurmati fihom newtrini elettroni qalba solari. Imma meta kejlna kemm waslu, rajna biss terz tan-numru previst.

Jew xi ħaġa ħażina mad-ditekters tagħna, jew xi ħaġa ħażina fil-mudell tagħna tax-Xemx, jew xi ħaġa ħażina fin-newtrinos infushom. L-esperimenti tar-reatturi malajr ċaħdu l-idea li xi ħaġa kienet ħażina mad-ditekters tagħna (4). Ħadmu kif mistenni u l-prestazzjoni tagħhom kienet klassifikata tajjeb ħafna. In-newtrinos li skoprejna ġew irreġistrati fi proporzjon man-numru ta 'newtrinos li waslu. Għal għexieren ta 'snin, ħafna astronomi argumentaw li l-mudell solari tagħna huwa żbaljat.

4. Stampi ta 'avvenimenti ta' newtrino fir-radjazzjoni Cherenkov mid-ditekter Super Kamiokande

Ovvjament, kien hemm possibbiltà eżotika oħra li, jekk vera, tibdel il-fehim tagħna tal-univers minn dak li bassar il-Mudell Standard. L-idea hija li t-tliet tipi ta 'newtrinos li nafu fil-fatt għandhom massa, le dgħif, u li jistgħu jħalltu (jitvarjaw) biex ibiddlu t-togħmiet jekk ikollhom biżżejjed enerġija. Jekk in-newtrino jiġi attivat elettronikament, jista 'jinbidel tul it-triq lejn muon i taonoviżda dan huwa possibbli biss meta jkollu massa. Ix-xjentisti huma mħassba dwar il-problema tan-newtrinos tal-lemin u tax-xellug. Għax jekk ma tistax tiddistingwiha, ma tistax tiddistingwi jekk hijiex partiċella jew antipartiċella.

Jista' newtrino jkun l-antipartikuli tiegħu stess? Mhux skont il-Mudell Standard tas-soltu. Fermionsb'mod ġenerali m'għandhomx ikunu l-antipartiċelli tagħhom stess. Fermjoni hija kwalunkwe partiċella b'rotazzjoni ta' ± XNUMX/XNUMX. Din il-kategorija tinkludi l-quarks u l-leptoni kollha, inklużi n-newtrinos. Madankollu, hemm tip speċjali ta 'fermions, li s'issa jeżisti biss fit-teorija - il-fermjon Majorana, li huwa l-antipartikuli tiegħu stess. Kieku teżisti, tista' tkun qed tiġri xi ħaġa speċjali... newtrino ħielsa taħsir beta doppju. U hawn ċans għal esperimentaturi li ilhom ifittxu tali vojt.

Fil-proċessi kollha osservati li jinvolvu newtrinos, dawn il-partiċelli juru proprjetà li l-fiżiċi jsejħu xellugija. In-newtrini tal-lemin, li huma l-aktar estensjoni naturali tal-Mudell Standard, ma jidhru mkien. Il-partiċelli MS l-oħra kollha għandhom verżjoni tal-lemin, iżda n-newtrinos le. Għaliex? L-aħħar analiżi estremament komprensiva minn tim internazzjonali ta 'fiżiċi, inkluż l-Istitut tal-Fiżika Nukleari tal-Akkademja tax-Xjenzi Pollakka (IFJ PAN) fi Krakovja, għamlet riċerka dwar din il-kwistjoni. Ix-xjentisti jemmnu li n-nuqqas ta 'osservazzjoni ta' newtrinos tal-lemin jista 'jipprova li huma fermions ta' Majorana. Kieku kienu, allura l-verżjoni tan-naħa tal-lemin tagħhom hija estremament massiva, li tispjega d-diffikultà ta 'skoperta.

Madankollu għadna ma nafux jekk in-newtrinos humiex antipartiċelli nfushom. Ma nafux jekk jiksbu l-massa tagħhom mill-irbit dgħajjef ħafna tal-boson Higgs, jew jekk jiksbuha permezz ta 'xi mekkaniżmu ieħor. U ma nafux, forsi s-settur tan-newtrini huwa ħafna aktar kumpless milli naħsbu, b'newtrini sterili jew tqal li jħottu fid-dlam.

Atomi u anomaliji oħra

Fil-fiżika tal-partiċelli elementari, minbarra n-newtrinos tal-moda, hemm oqsma oħra ta 'riċerka inqas magħrufa li minnhom "fiżika ġdida" tista' tiddi. Ix-xjentisti, pereżempju, reċentement ipproponew tip ġdid ta’ partiċella subatomika biex tispjega l-enigmatika kaon tħassir (5), każ speċjali ta 'partiċelli tal-meson li jikkonsisti minn quark wieħed i negozjant wieħed antikità. Meta l-partiċelli tal-kaon jitmermer, frazzjoni żgħira minnhom jgħaddu minn bidliet li ssorprendew lix-xjenzati. L-istil ta 'dan it-tħassir jista' jindika tip ġdid ta 'partiċella jew forza fiżika ġdida fuq ix-xogħol. Dan huwa barra l-ambitu tal-Mudell Standard.

Hemm aktar esperimenti biex issib lakuni fil-Mudell Standard. Dawn jinkludu t-tfittxija għall-muon g-2. Kważi mitt sena ilu, il-fiżiku Paul Dirac bassar il-mument manjetiku ta 'elettron bl-użu ta' g, numru li jiddetermina l-proprjetajiet spin ta 'partiċella. Imbagħad il-kejl wera li "g" hija kemmxejn differenti minn 2, u l-fiżiċi bdew jużaw id-differenza bejn il-valur attwali ta '"g" u 2 biex jistudjaw l-istruttura interna tal-partiċelli subatomiċi u l-liġijiet tal-fiżika b'mod ġenerali. Fl-1959, is-CERN f’Ġinevra, l-Isvizzera, wettaq l-ewwel esperiment li kejjel il-valur g-2 ta’ partiċella subatomika msejħa muon, marbuta ma’ elettron iżda instabbli u 207 darbiet itqal minn partiċella elementari.

Brookhaven National Laboratory fi New York beda l-esperiment tiegħu stess u ppubblika r-riżultati tal-esperiment g-2 tagħhom fl-2004. Il-kejl ma kienx dak li bassar il-Mudell Standard. Madankollu, l-esperiment ma ġabarx biżżejjed dejta għal analiżi statistika biex jipprova b'mod konklużiv li l-valur imkejjel kien tabilħaqq differenti u mhux biss varjazzjoni statistika. Ċentri ta 'riċerka oħra issa qed jagħmlu esperimenti ġodda bil-g-2, u x'aktarx se nkunu nafu r-riżultati dalwaqt.

Hemm xi ħaġa aktar intriganti minn dan Kaon anomaliji i muon. Fl-2015, esperiment dwar it-tħassir tal-berillju 8Be wera anomalija. Ix-xjentisti fl-Ungerija jużaw id-ditekter tagħhom. Madankollu, inċidentalment, skoprew jew ħasbu li skoprew, li jissuġġerixxi l-eżistenza tal-ħames forza fundamentali tan-natura.

Il-fiżiċi mill-Università ta’ Kalifornja saru interessati fl-istudju. Huma ssuġġerew li l-fenomenu sejjaħ anomalija atomika, kienet ikkawżata minn partiċella kompletament ġdida, li suppost kellha ġġorr il-ħames forza tan-natura. Tissejjaħ X17 minħabba li l-massa korrispondenti tagħha hija maħsuba li hija kważi 17-il miljun elettron volt. Dan huwa 30 darba l-massa ta 'elettron, iżda inqas mill-massa ta' proton. U l-mod kif X17 jaġixxi bi proton huwa wieħed mill-aktar karatteristiċi strambi tiegħu - jiġifieri, ma jinteraġixxi xejn ma 'proton. Minflok, jinteraġixxi ma 'elettron jew newtron iċċarġjat b'mod negattiv, li m'għandu l-ebda ħlas għal kollox. Dan jagħmilha diffiċli biex titwaħħal il-partikula X17 fil-Mudell Standard attwali tagħna. Bosons huma assoċjati ma 'forzi. Gluons huma assoċjati mal-forza qawwija, bosons mal-forza dgħajfa, u fotoni bl-elettromanjetiżmu. Hemm saħansitra boson ipotetiku għall-gravità msejjaħ graviton. Bħala boson, X17 se jġorr forza tiegħu, bħal dik li s'issa baqgħet misteru għalina u tista' tkun.

L-univers u d-direzzjoni preferuta tiegħu?

F'dokument ippubblikat dan f'April fil-ġurnal Science Advances, xjenzati fl-Università ta' New South Wales f'Sydney rrappurtaw li kejl ġdid ta' dawl emess minn quasar 13-il biljun sena dawl 'il bogħod jikkonferma studji preċedenti li sabu varjazzjonijiet żgħar fl-istruttura kostanti fina tal-univers. Il-Professur John Webb minn UNSW (6) jispjega li l-kostanti tal-istruttura fina "hija kwantità li l-fiżiċi jużaw bħala miżura tal-forza elettromanjetika." forza elettromanjetika iżomm elettroni madwar in-nuklei f'kull atomu fl-univers. Mingħajrha, il-materja kollha tinqasam. Sa ftit ilu, kien meqjus bħala forza kostanti fiż-żmien u fl-ispazju. Iżda fir-riċerka tiegħu matul l-aħħar żewġ deċennji, il-Professur Webb innota anomalija fl-istruttura fina solida li fiha l-forza elettromanjetika, imkejla f'direzzjoni waħda magħżula fl-univers, dejjem tidher kemxejn differenti.

"" jispjega Webb. L-inkonsistenzi dehru mhux fil-kejl tat-tim Awstraljan, iżda fit-tqabbil tar-riżultati tagħhom ma 'ħafna kejl ieħor tad-dawl tal-quasar minn xjenzati oħra.

"" jgħid il-Professur Webb. "". Fl-opinjoni tiegħu, ir-riżultati jidhru li jissuġġerixxu li jista 'jkun hemm direzzjoni preferuta fl-univers. Fi kliem ieħor, l-univers f'ċertu sens ikollu struttura dipol.

"" Jgħid ix-xjenzat dwar l-anomaliji mmarkati.

Din hija ħaġa oħra: minflok dak li kien maħsub li kien distribuzzjoni każwali ta 'galassji, quasars, sħab tal-gass u pjaneti bil-ħajja, l-Univers f'daqqa waħda għandu kontroparti tat-Tramuntana u tan-Nofsinhar. Il-Professur Webb madankollu lest jammetti li r-riżultati tal-kejl minn xjentisti li saru fi stadji differenti bl-użu ta' teknoloġiji differenti u minn postijiet differenti fid-Dinja huma fil-fatt koinċidenza kbira.

Webb jirrimarka li jekk ikun hemm direzzjonalità fl-univers, u jekk l-elettromanjetiżmu jirriżulta li jkun kemmxejn differenti f'ċerti reġjuni tal-kożmo, l-aktar kunċetti fundamentali wara ħafna mill-fiżika moderna se jkollhom bżonn jiġu riveduti. "", titkellem. Il-mudell huwa bbażat fuq it-teorija tal-gravità ta 'Einstein, li espliċitament tassumi l-kostanza tal-liġijiet tan-natura. U jekk le, allura ... il-ħsieb li jdawwar l-edifiċju kollu tal-fiżika huwa isbaħ.