Жаңа физика көптеген жерлерден жарқырайды

Біз физиканың стандартты моделіне (1) немесе жалпы салыстырмалық теориясына, біздің ғаламның екі ең жақсы (бірақ үйлесімсіз) теориясына енгізгіміз келетін кез келген ықтимал өзгерістер қазірдің өзінде өте шектеулі. Басқаша айтқанда, тұтастықты бұзбай, көп нәрсені өзгерте алмайсыз.

Өйткені, бізге белгілі үлгілер негізінде түсіндіруге болмайтын нәтижелер мен құбылыстар да бар. Ендеше, кез келген бағамен бар теорияларға сәйкес келетін барлық нәрсені түсініксіз немесе сәйкес келмейтін етіп жасау үшін бар күшімізді салу керек пе, әлде жаңаларын іздеу керек пе? Бұл қазіргі физиканың негізгі сұрақтарының бірі.

Бөлшектер физикасының стандартты моделі бұрыннан байқалған бөлшектер арасындағы белгілі және ашылған өзара әрекеттесулерді сәтті түсіндірді. Ғалам одан тұрады кварктар, лептонов және табиғаттағы төрт негізгі күштің үшеуін өткізетін және бөлшектерге тыныштық массасын беретін калибрлі бозондар. Сондай-ақ жалпы салыстырмалылық бар, біздің, өкінішке орай, гравитацияның кванттық теориясы емес, ол ғаламдағы кеңістік-уақыт, материя және энергия арасындағы қатынасты сипаттайды.

Бұл екі теорияның шеңберінен шығудың қиындығы, егер сіз оларды жаңа элементтерді, ұғымдар мен шамаларды енгізу арқылы өзгертуге тырыссаңыз, бізде бұрыннан бар өлшемдер мен бақылауларға қайшы келетін нәтижелерге қол жеткізесіз. Сондай-ақ, егер сіз біздің қазіргі ғылыми шеңберімізден асып кеткіңіз келсе, дәлелдеу ауыртпалығы өте зор екенін есте ұстаған жөн. Екінші жағынан, ондаған жылдар бойы сыналған үлгілерге нұқсан келтіретін адамнан көп нәрсені күту қиын.

Осындай талаптардың алдында физикадағы бар парадигманы толығымен сынауға ешкімнің тырыспауы ғажап емес. Ал егер солай болса, ол мүлде байыпты қабылданбайды, өйткені ол қарапайым тексерулерден тез сүрініп кетеді. Сонымен, егер біз әлеуетті саңылауларды көретін болсақ, онда бұл жай ғана шағылыстырғыштар, бір жерде бір нәрсе жарқырап тұрғанын білдіреді, бірақ ол жерге барудың қажеті жоқ па белгісіз.

Белгілі физика ғаламды басқара алмайды

Осы «мүлдем жаңа және әртүрлі» жарқыраудың мысалдары? Мысалы, Ғалам тек стандартты үлгінің бөлшектерімен толтырылған және салыстырмалылықтың жалпы теориясына бағынады деген мәлімдемеге сәйкес келмейтін кері айналу жылдамдығын бақылау. Бұл құбылысты түсіндіру үшін гравитацияның жеке көздері, галактикалар, галактикалар кластерлері және тіпті үлкен ғарыштық тор жеткіліксіз екенін білеміз. Стандартты үлгіде материя мен антиматерия тең мөлшерде құрылып, жойылуы керек деп айтылғанымен, біз антиматерияның аз мөлшері бар негізінен материядан тұратын ғаламда өмір сүретінімізді білеміз. Басқаша айтқанда, «белгілі физика» біздің ғаламда көрген нәрселердің бәрін түсіндіре алмайтынын көреміз.

Көптеген эксперименттер күтпеген нәтижелер берді, олар жоғары деңгейде тексерілсе, революциялық болуы мүмкін. Бөлшектердің бар екенін көрсететін атомдық аномалия деп аталатынның өзі тәжірибелік қате болуы мүмкін, бірақ ол Стандартты үлгіден шығудың белгісі де болуы мүмкін. Ғаламды өлшеудің әртүрлі әдістері оның кеңею жылдамдығының әртүрлі мәндерін береді - бұл мәселені біз МТ-ның соңғы шығарылымдарының бірінде егжей-тегжейлі қарастырдық.

Дегенмен, бұл аномалиялардың ешқайсысы жаңа физиканың даусыз белгісі деп санауға жеткілікті сенімді нәтиже бермейді. Бұлардың кез келгені немесе барлығы жай ғана статистикалық ауытқулар немесе қате калибрленген құрал болуы мүмкін. Олардың көпшілігі жаңа физикаға нұсқауы мүмкін, бірақ оларды жалпы салыстырмалылық контекстінде және Стандартты модельде белгілі бөлшектер мен құбылыстарды пайдалану арқылы оңай түсіндіруге болады.

Біз нақтырақ нәтижелер мен ұсыныстарға үміттеніп, тәжірибе жасауды жоспарлап отырмыз. Қараңғы энергияның тұрақты мәні бар-жоғын жақын арада көре аламыз. Вера Рубин обсерваториясының жоспарланған галактика зерттеулеріне және алыстағы суперновалар туралы деректерге негізделген. Нэнси Грейс телескопы, бұрын WFIRST, біз қараңғы энергияның уақыт өте келе 1% шегінде дамитынын анықтауымыз керек. Олай болса, біздің «стандартты» космологиялық модельді өзгертуге тура келеді. Ғарыштық лазерлік интерферометр антеннасы (LISA) жоспар бойынша бізге тосын сыйлар беруі мүмкін. Қысқасы, біз жоспарлап отырған бақылау машиналары мен эксперименттерге сенеміз.

Біз сондай-ақ бөлшектер физикасы саласында әлі де жұмыс істеп жатырмыз, Модельден тыс құбылыстарды табуға үміттенеміз, мысалы, электрон мен мюонның магниттік моменттерін дәлірек өлшеу - егер олар келіспесе, жаңа физика пайда болады. Біз олардың қалай өзгеретінін анықтауға тырысамыз нейтрино – Мұнда да жаңа физика жарқырайды. Егер біз дөңгелек немесе сызықты дәл электронды-позитрондық коллайдер құрастырсақ (2), стандартты үлгіден тыс LHC әлі анықтай алмайтын нәрселерді анықтай аламыз. Физика әлемінде шеңбері 100 км-ге дейінгі LHC-тің үлкен нұсқасы бұрыннан ұсынылған. Бұл көптеген физиктердің пікірінше, жаңа құбылыстар туралы сигнал беретін жоғары соқтығыс энергияларын береді. Дегенмен, бұл өте қымбат инвестиция, «салайық, соны көрейік, бізге не көрсетеді» деген қағидамен ғана алып құрылыс салу көптеген күмән тудырады.

2. Сызықтық лептонды коллайдер – визуализация

Физика ғылымында есептерді шешудің екі түрі бар. Біріншісі - кешенді тәсіл, ол белгілі бір мәселені шешуге арналған эксперимент немесе обсерваторияның тар дизайнынан тұрады. Екінші тәсіл қатал күш әдісі деп аталады.Әлемді біздің бұрынғы тәсілдерге қарағанда мүлдем жаңа жолмен зерттеу үшін әмбебап, шекаралық экспериментті немесе обсерваторияны дамытатын. Біріншісі Стандартты үлгіде жақсырақ бағытталған. Екіншісі көп нәрсенің іздерін табуға мүмкіндік береді, бірақ, өкінішке орай, бұл нәрсе нақты анықталмаған. Осылайша, екі әдістің де кемшіліктері бар.

«Бәрінің теориясы» (TUT) деп аталатын физиканы екінші санатқа жатқызу керек, өйткені бұл көбінесе жоғары және жоғары энергияларды (3) табумен байланысты, онда күштер әсер етеді. табиғат ақырында бір әрекеттестікке біріктіріледі.

3. Өзара әрекеттесулердің гипотетикалық унификациясы үшін қажетті энергиялар

Нисфорн нейтрино

Жақында ғылым нейтрино зерттеулері сияқты қызықты салаларға көбірек назар аудара бастады, ол туралы біз жақында MT-да кең есеп жарияладык. 2020 жылдың ақпан айында Astrophysical Journal Антарктидада шығу тегі белгісіз жоғары энергиялы нейтринолардың ашылғаны туралы басылымды жариялады. Белгілі эксперименттен басқа, аязды континентте сенсоры бар әуе шарын шығарудан тұратын ANITA (кодтық атаумен) зерттеулер де жүргізілді. радиотолқындар.

Екеуі де, ANITA да мұзды құрайтын қатты затпен соқтығысатын жоғары энергиялы нейтринолардың радиотолқындарын іздеуге арналған. Гарвард астрономия департаментінің төрағасы Ави Лоеб Салон веб-сайтында былай деп түсіндірді: «ANITA анықтаған оқиғалар, әрине, аномалия болып көрінеді, өйткені оларды астрофизикалық көздерден нейтрино ретінде түсіндіруге болмайды. (...) Бұл қарапайым затпен нейтриноға қарағанда әлсіз әрекеттесетін бөлшектің қандай да бір түрі болуы мүмкін. Біз мұндай бөлшектер қараңғы материя ретінде бар деп күдіктенеміз. Бірақ ANITA оқиғаларын соншалықты жігерлі ететін не?»

Нейтринолар стандартты үлгіні бұзатын жалғыз белгілі бөлшектер. Элементар бөлшектердің стандартты моделіне сәйкес бізде нейтринолардың үш түрі (электрондық, мюон және тау) және антинейтринолардың үш түрі болуы керек және олар пайда болғаннан кейін олар тұрақты және қасиеттері бойынша өзгермеген болуы керек. 60 жылдардан бастап, Күн шығарған нейтринолардың алғашқы есептеулері мен өлшемдері пайда болған кезде, біз мәселе бар екенін түсіндік. Біз қанша электронды нейтриноның пайда болғанын білдік күн ядросы. Бірақ қанша келгенін өлшегенде, болжамды санның үштен бірін ғана көрдік.

Немесе біздің детекторларда бірдеңе дұрыс емес, немесе Күн моделінде бірдеңе дұрыс емес, не нейтринолардың өзінде бірдеңе дұрыс емес. Реакторлық эксперименттер біздің детекторларда бірдеңе дұрыс емес деген түсінікті тез арада жоққа шығарды (4). Олар күткендей жұмыс істеді және олардың көрсеткіштері өте жақсы бағаланды. Біз анықтаған нейтринолар келген нейтринолардың санына пропорционалды түрде тіркелді. Көптеген астрономдар ондаған жылдар бойы біздің күн моделінің қате екенін дәлелдеді.

4. Super Kamiokande детекторынан Черенков сәулеленуіндегі нейтрино оқиғаларының суреттері

Әрине, егер шын болса, стандартты модель болжаған дүние туралы түсінігімізді өзгертетін тағы бір экзотикалық мүмкіндік болды. Біз білетін нейтринолардың үш түрінің шын мәнінде массасы бар, бірақ жоқ жіңішке, және оларда қуат жеткілікті болса, дәмдерді өзгерту үшін араласуы (ауытқуы) мүмкін. Егер нейтрино электронды түрде іске қосылса, ол жол бойында өзгеруі мүмкін мюон i таоновбірақ бұл оның массасы болғанда ғана мүмкін болады. Ғалымдарды оң және сол қолды нейтрино мәселесі алаңдатады. Өйткені оны ажырата алмасаң, оның бөлшек немесе антибөлшек екенін ажырата алмайсың.

Нейтрино өзінің антибөлшегі бола ала ма? Әдеттегі Стандартты үлгіге сәйкес емес. Фермионыжалпы олар өздерінің антибөлшектері болмауы керек. Фермион - айналуы ± XNUMX/XNUMX болатын кез келген бөлшек. Бұл категорияға барлық кварктар мен лептондар, соның ішінде нейтрино кіреді. Дегенмен, фермиондардың осы уақытқа дейін тек теорияда ғана бар ерекше түрі бар - өзінің антибөлшектері болып табылатын майорана фермионы. Егер ол бар болса, ерекше бірдеңе болып жатқан болар... нейтриносыз қос бета ыдырауы. Міне, мұндай олқылықты көптен бері іздеген экспериментаторларға мүмкіндік бар.

Нейтринолардың қатысуымен бақыланатын барлық процестерде бұл бөлшектер физиктер солақайлық деп атайтын қасиет көрсетеді. Стандартты модельдің ең табиғи жалғасы болып табылатын оң қолды нейтринолар еш жерде байқалмайды. Барлық басқа MS бөлшектерінің оң жақ нұсқасы бар, бірақ нейтриноларда жоқ. Неліктен? Краковтағы Польша Ғылым академиясының Ядролық физика институтын (IFJ PAN) қоса алғанда, халықаралық физиктер тобының соңғы, өте жан-жақты талдауы осы мәселе бойынша зерттеулер жүргізді. Ғалымдар оң қолды нейтринолардың байқалмауы олардың майорана фермиондары екенін дәлелдей алады деп санайды. Егер олар болса, онда олардың оң жақты нұсқасы өте массивті, бұл анықтау қиындығын түсіндіреді.

Дегенмен біз нейтринолардың өздері антибөлшек болып табылатынын әлі білмейміз. Біз олардың массасын Хиггс бозонының өте әлсіз байланысуынан алады ма, әлде басқа механизм арқылы алады ма, білмейміз. Біз білмейміз, мүмкін нейтрино секторы біз ойлағаннан әлдеқайда күрделі, қараңғыда стерильді немесе ауыр нейтрино бар.

Атомдар және басқа аномалиялар

Қарапайым бөлшектер физикасында, сәнді нейтринолардан басқа, «жаңа физика» жарқырап көрінетін басқа, онша танымал емес зерттеу бағыттары бар. Мысалы, жақында ғалымдар жұмбақтарды түсіндіру үшін субатомдық бөлшектердің жаңа түрін ұсынды. ретінде ыдырау (5), тұратын мезондық бөлшектің ерекше жағдайы бір кварк i бір антиквариат дилері. Каон бөлшектері ыдыраған кезде олардың аз ғана бөлігі ғалымдарды таң қалдырған өзгерістерге ұшырайды. Бұл ыдырау стилі бөлшектердің жаңа түрін немесе жұмыстағы жаңа физикалық күшті көрсетуі мүмкін. Бұл Стандартты үлгінің ауқымынан тыс.

Стандартты үлгідегі олқылықтарды табу үшін көбірек эксперименттер бар. Оларға g-2 мюонын іздеу кіреді. Жүз жылдай бұрын физик Пол Дирак бөлшектің спиндік қасиеттерін анықтайтын g санын пайдаланып электронның магниттік моментін болжаған. Содан кейін өлшеулер «g» 2-ден аздап ерекшеленетінін көрсетті және физиктер «g» мен 2-нің нақты мәні арасындағы айырмашылықты субатомдық бөлшектердің ішкі құрылымын және жалпы физика заңдарын зерттеу үшін пайдалана бастады. 1959 жылы Женевада (Швейцария) CERN электронды байланысқан, бірақ тұрақсыз және элементар бөлшектен 2 есе ауыр мюон деп аталатын субатомдық бөлшектің g-207 мәнін өлшейтін бірінші эксперимент жүргізді.

Нью-Йорктегі Брукхавен ұлттық зертханасы өз тәжірибесін бастады және 2 жылы G-2004 тәжірибесінің нәтижелерін жариялады. Өлшем Стандартты үлгі болжағандай болмады. Дегенмен, эксперимент өлшенетін мәннің статистикалық ауытқу емес, шын мәнінде әртүрлі екенін түбегейлі дәлелдеу үшін статистикалық талдау үшін жеткілікті деректерді жинамады. Басқа зерттеу орталықтары қазір g-2-мен жаңа эксперименттер жүргізіп жатыр және біз жақын арада нәтижелерін білетін шығармыз.

Бұдан да қызық нәрсе бар Каон аномалиялары i мюон. 2015 жылы бериллий 8Be ыдырауы бойынша эксперимент аномалияны көрсетті. Венгрия ғалымдары өздерінің детекторын пайдаланады. Айтпақшы, олар табиғаттың бесінші іргелі күшінің бар екенін болжайтын ашты немесе ашты деп ойлады.

Зерттеуге Калифорния университетінің физиктері қызығушылық танытты. Олар бұл құбылысты шақырды атом аномалиясы, табиғаттың бесінші күшін алып жүруі керек болған мүлде жаңа бөлшектің әсерінен пайда болды. Ол X17 деп аталады, өйткені оның сәйкес массасы шамамен 17 миллион электрон вольт деп есептеледі. Бұл электронның массасынан 30 есе көп, бірақ протонның массасынан аз. Ал X17 протонмен әрекеттесуі оның ең оғаш ерекшеліктерінің бірі болып табылады - яғни ол протонмен мүлдем әрекеттеспейді. Оның орнына ол заряды мүлдем жоқ теріс зарядталған электронмен немесе нейтронмен әрекеттеседі. Бұл X17 бөлшекті қазіргі Стандартты үлгіге сәйкестендіруді қиындатады. Бозондар күштермен байланысты. Глюондар күшті күшпен, бозондар әлсіз күшпен, фотондар электромагнетизммен байланысты. Тіпті гравитон деп аталатын гравитацияның гипотетикалық бозоны бар. Бозон ретінде, X17 өз күшіне ие болады, мысалы, осы уақытқа дейін бізге жұмбақ болып келген және болуы мүмкін.

Ғалам және оның таңдаулы бағыты?

Сәуірде Science Advances журналында жарияланған мақалада Сиднейдегі Жаңа Оңтүстік Уэльс университетінің ғалымдары 13 миллиард жарық жылы қашықтықтағы квазар шығаратын жарықтың жаңа өлшемдері жұқа тұрақты құрылымда шағын өзгерістер тапқан алдыңғы зерттеулерді растайтынын хабарлады. ғаламның. Профессор Джон Уэбб UNSW-ден (6) жұқа құрылым тұрақтысы «физиктер электромагниттік күштің өлшемі ретінде пайдаланатын шама» деп түсіндіреді. электромагниттік күш Әлемдегі әрбір атомдағы ядролардың айналасында электрондарды сақтайды. Онсыз барлық зат ыдырайтын еді. Соңғы уақытқа дейін ол уақыт пен кеңістіктегі тұрақты күш деп саналды. Бірақ соңғы екі онжылдықта жүргізген зерттеулерінде профессор Уэбб қатты жұқа құрылымдағы аномалияны байқады, онда ғаламдағы бір таңдалған бағытта өлшенетін электромагниттік күш әрқашан сәл өзгеше болып көрінеді.

"" деп түсіндіреді Уэбб. Сәйкессіздік австралиялық топтың өлшемдерінде емес, олардың нәтижелерін басқа ғалымдар жасаған квазарлық жарықтың көптеген басқа өлшемдерімен салыстыру кезінде пайда болды.

— дейді профессор Уэбб. "". Оның пікірінше, нәтижелер ғаламда артықшылықты бағыт болуы мүмкін екенін болжайтын сияқты. Басқаша айтқанда, ғалам қандай да бір мағынада дипольдік құрылымға ие болар еді.

Белгіленген ауытқулар туралы «» дейді ғалым.

Бұл тағы бір нәрсе: галактикалардың, квазарлардың, газ бұлттарының және тіршілік бар планеталардың кездейсоқ таралуы деп есептелген нәрсенің орнына кенеттен ғаламның солтүстік және оңтүстік әріптесі пайда болды. Профессор Уэбб соған қарамастан ғалымдардың әртүрлі технологияларды қолдану арқылы әртүрлі кезеңдерінде және Жердің әртүрлі жерлерінен жүргізген өлшеулерінің нәтижелері шын мәнінде үлкен сәйкестік екенін мойындауға дайын.

Уэбб егер ғаламда бағыттылық болса және ғарыштың белгілі бір аймақтарында электромагнетизм сәл өзгеше болып шықса, қазіргі физиканың көп бөлігінің артындағы ең іргелі ұғымдарды қайта қарау қажет болатынын атап көрсетеді. «», сөйлейді. Модель табиғат заңдарының тұрақтылығын айқын түрде қабылдайтын Эйнштейннің тартылыс теориясына негізделген. Ал егер олай болмаса, онда ... физиканың бүкіл ғимаратын айналдыру туралы ой таң қалдырады.