Новая физика просвечивает из многих мест

Любые возможные изменения, которые мы хотели бы внести в Стандартную модель физики (1) или общую теорию относительности, две наши лучшие (хотя и несовместимые) теории Вселенной, уже очень ограничены. Другими словами, вы не можете изменить многое, не подорвав целое.

Дело в том, что есть также результаты и явления, которые невозможно объяснить на основе известных нам моделей. Так должны ли мы стараться изо всех сил, чтобы все необъяснимое или не укладывающееся любой ценой в соответствие с существующими теориями, или нам следует искать новые? Это один из фундаментальных вопросов современной физики.

Стандартная модель физики элементарных частиц успешно объяснила все известные и обнаруженные взаимодействия между частицами, которые когда-либо наблюдались. Вселенная состоит из кварки, лептонув и калибровочные бозоны, которые передают три из четырех фундаментальных сил в природе и придают частицам массу покоя. Существует также общая теория относительности, наша, к сожалению, не квантовая теория гравитации, которая описывает взаимосвязь между пространством-временем, материей и энергией во Вселенной.

Трудность выхода за пределы этих двух теорий заключается в том, что если вы попытаетесь изменить их, введя новые элементы, понятия и величины, вы получите результаты, противоречащие измерениям и наблюдениям, которые у нас уже есть. Также стоит помнить, что если вы хотите выйти за рамки наших нынешних научных рамок, бремя доказательства огромно. С другой стороны, трудно не ожидать столь многого от того, кто подрывает проверенные и проверенные десятилетиями модели.

Перед лицом таких требований неудивительно, что вряд ли кто-то пытается полностью бросить вызов существующей парадигме в физике. А если и встречается, то вообще не воспринимается всерьез, так как быстро спотыкается на простых проверках. Так что, если мы и видим потенциальные пробоины, то это просто светоотражатели, сигнализирующие о том, что где-то что-то светит, но нет ясности, стоит ли туда вообще идти.

Известная физика не может справиться со вселенной

Примеры мерцания этого “совершенно нового и другого”? Ну, например, наблюдения за скоростью отдачи, которые кажутся несовместимыми с утверждением, что Вселенная заполнена только частицами Стандартной модели и подчиняется общей теории относительности. Мы знаем, что отдельных источников гравитации, галактик, скоплений галактик и даже великой космической паутины недостаточно для объяснения этого явления, разве что. Мы знаем, что, хотя согласно Стандартной модели материя и антиматерия должны создаваться и уничтожаться в равных количествах, мы живем во Вселенной, состоящей в основном из материи с небольшим количеством антиматерии. Другими словами, мы видим, что «известная физика» не может объяснить всего, что мы видим во Вселенной.

Многие эксперименты дали неожиданные результаты, которые, если их проверить на более высоком уровне, могли бы стать революционными. Даже так называемый Атомная аномалия, указывающая на существование частиц, может быть экспериментальной ошибкой, но также может быть признаком выхода за рамки Стандартной модели. Различные методы измерения Вселенной дают разные значения скорости ее расширения — проблема, которую мы подробно рассмотрели в одном из недавних выпусков МТ.

Однако ни одна из этих аномалий не дает достаточно убедительных результатов, чтобы считаться бесспорным признаком новой физики. Любой из них или все они могут быть просто статистическими флуктуациями или неправильно откалиброванным прибором. Многие из них могут указывать на новую физику, но их так же легко можно объяснить с помощью известных частиц и явлений в контексте общей теории относительности и Стандартной модели.

Мы планируем экспериментировать, надеясь на более четкие результаты и рекомендации. Возможно, мы скоро увидим, имеет ли темная энергия постоянную величину. На основе запланированных исследований галактик, проводимых обсерваторией Веры Рубин, и данных о далеких сверхновых, которые будут предоставлены в будущем. телескоп Нэнси Грейс, ранее WFIRST, мы должны выяснить, эволюционирует ли темная энергия во времени с точностью до 1%. Если это так, то нашу «стандартную» космологическую модель придется изменить. Не исключено, что антенна космического лазерного интерферометра (LISA) в плане тоже преподнесет нам сюрпризы. Короче говоря, мы рассчитываем на наблюдательные аппараты и эксперименты, которые планируем.

Мы также все еще работаем в области физики элементарных частиц, надеясь найти явления за пределами Модели, например, более точное измерение магнитных моментов электрона и мюона — если они не согласуются, появляется новая физика. Мы работаем, чтобы выяснить, как они колеблются нейтрин – здесь тоже просвечивает новая физика. И если мы построим точный электрон-позитронный коллайдер, круговой или линейный (2), мы сможем обнаружить вещи за пределами Стандартной модели, которые пока не может обнаружить БАК. В мире физики давно предлагалась более крупная версия БАК с окружностью до 100 км. Это дало бы более высокие энергии столкновений, что, по мнению многих физиков, наконец, стало бы сигналом о новых явлениях. Однако это чрезвычайно дорогое вложение, и строительство гиганта только по принципу – “давайте построим и посмотрим, что он нам покажет” вызывает массу сомнений.

2. Линейный лептонный коллайдер – визуализация

Есть два типа подхода к проблемам в физической науке. Первый – сложный подход, заключающийся в узком замысле эксперимента или обсерватории для решения конкретной задачи. Второй подход называется методом грубой силы.который разрабатывает универсальный, расширяющий границы эксперимент или обсерваторию для исследования Вселенной совершенно по-новому, чем наши предыдущие подходы. Первый лучше ориентируется в Стандартной модели. Второй позволяет найти следы чего-то большего, но, к сожалению, это что-то точно не определено. Таким образом, оба метода имеют свои недостатки.

Ищите так называемый Ко второй категории следует отнести Теорию Всего (ТВО), святой Грааль физики, поскольку чаще всего дело сводится к поиску все больших энергий (3), при которых силы природы в конечном счете объединяются в одно взаимодействие.

3. Энергии, необходимые для гипотетического объединения взаимодействий

нейтрина Нисфорна

В последнее время наука стала все больше и больше сосредотачиваться на более интересных областях, таких как исследования нейтрино, о которых мы недавно опубликовали обширный отчет в МТ. В феврале 2020 года в «Астрофизическом журнале» вышла публикация об открытии в Антарктиде нейтрино высоких энергий неизвестного происхождения. Помимо известного эксперимента, на морозном континенте проводились также исследования под условным названием АНИТА (), заключающиеся в выпуске воздушного шара с датчиком радиоволны.

Оба и ANITA были разработаны для поиска радиоволн от нейтрино высокой энергии, сталкивающихся с твердым веществом, из которого состоит лед. Ави Леб, председатель Гарвардского отделения астрономии, объяснил на сайте Салона: «События, обнаруженные ANITA, безусловно, кажутся аномалией, потому что их нельзя объяснить как нейтрино из астрофизических источников. (…) Это могла быть какая-то частица, которая слабее нейтрино взаимодействует с обычным веществом. Мы подозреваем, что такие частицы существуют как темная материя. Но что делает мероприятия ANITA такими энергичными?».

Нейтрино — единственные известные частицы, нарушившие Стандартную модель. Согласно Стандартной модели элементарных частиц, мы должны иметь три типа нейтрино (электронные, мюонные и тау) и три типа антинейтрино, и после их образования они должны быть стабильными и неизменными в своих свойствах. С 60-х годов, когда появились первые расчеты и измерения нейтрино, производимых Солнцем, мы поняли, что проблема существует. Мы знали, сколько электронных нейтрино образовалось в солнечное ядро. Но когда мы измерили, сколько прибыло, мы увидели только треть от предсказанного числа.

Либо что-то не так с нашими детекторами, либо что-то не так с нашей моделью Солнца, либо что-то не так с самими нейтрино. Эксперименты на реакторах быстро опровергли мнение о том, что с нашими детекторами что-то не так (4). Они работали так, как ожидалось, и их производительность была очень хорошо оценена. Обнаруженные нами нейтрино регистрировались пропорционально количеству прибывших нейтрино. На протяжении десятилетий многие астрономы утверждали, что наша солнечная модель ошибочна.

4. Изображения нейтринных событий в черенковском излучении от детектора Супер Камиоканде

Конечно, существовала и другая экзотическая возможность, которая, если она окажется верной, изменит наше представление о Вселенной по сравнению с тем, что предсказывала Стандартная модель. Идея состоит в том, что три известных нам типа нейтрино на самом деле имеют массу, а не постный, и что они могут смешиваться (колебаться) для изменения вкусов, если у них достаточно энергии. Если нейтрино запускается электронным способом, оно может измениться по пути к мюон i таоновено это возможно только тогда, когда оно имеет массу. Ученых волнует проблема право- и леворукости нейтрино. Ибо если вы не можете различить его, вы не можете различить, частица это или античастица.

Может ли нейтрино быть собственной античастицей? Не в соответствии с обычной Стандартной моделью. Фермионыв общем случае они не должны быть своими античастицами. Фермион — это любая частица с вращением ± ½. В эту категорию входят все кварки и лептоны, включая нейтрино. Однако существует особый тип фермионов, который пока существует только в теории — майорановский фермион, являющийся собственной античастицей. Если бы он существовал, могло бы происходить что-то особенное… нейтринный свободный двойной бета-распад. И вот шанс для экспериментаторов, которые давно искали такой разрыв.

Во всех наблюдаемых процессах с участием нейтрино эти частицы проявляют свойство, которое физики называют леворукостью. Правых нейтрино, которые являются наиболее естественным расширением Стандартной модели, нигде не видно. Все остальные частицы MS имеют правостороннюю версию, а нейтрино — нет. Почему? Последний, чрезвычайно всесторонний анализ, проведенный международной группой физиков, в том числе Институтом ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове, провел исследования по этой проблеме. Ученые считают, что отсутствие наблюдения правых нейтрино может доказать, что они являются майорановскими фермионами. Если бы они были, то их правосторонняя версия чрезвычайно массивна, что объясняет сложность обнаружения.

И все же мы до сих пор не знаем, являются ли нейтрино античастицами сами по себе. Мы не знаем, получают ли они свою массу из-за очень слабой связи бозона Хиггса или получают ее с помощью какого-то другого механизма. И мы не знаем, может быть, сектор нейтрино намного сложнее, чем мы думаем, со стерильными или тяжелыми нейтрино, скрывающимися в темноте.

Атомки и прочие аномалии

В физике элементарных частиц, кроме модных нейтрино, есть и другие, менее известные области исследований, из которых может просвечиваться «новая физика». Ученые, например, недавно предложили новый тип субатомных частиц для объяснения загадочного распад каона (5), частный случай мезонной частицы, состоящей из один кварк i один антиквар. Когда частицы каона распадаются, небольшая их часть претерпевает изменения, которые удивили ученых. Стиль этого распада может указывать на новый тип частицы или новую физическую силу в действии. Это выходит за рамки Стандартной модели.

Есть больше экспериментов по поиску пробелов в Стандартной модели. К ним относится поиск мюона g-2. Почти сто лет назад физик Поль Дирак предсказал магнитный момент электрона, используя величину g — число, определяющее спиновые свойства частицы. Затем измерения показали, что «g» немного отличается от 2, и физики стали использовать разницу между действительным значением «g» и 2 для изучения внутреннего строения субатомных частиц и законов физики в целом. В 1959 году ЦЕРН в Женеве, Швейцария, провел первый эксперимент, в котором было измерено значение g-2 субатомной частицы, называемой мюоном, связанной с электроном, но нестабильной и в 207 раз более тяжелой элементарной частицей.

Брукхейвенская национальная лаборатория в Нью-Йорке начала собственный эксперимент и опубликовала результаты своего эксперимента с g-2 в 2004 году. Измерение было не таким, как предсказывала Стандартная модель. Однако в ходе эксперимента не было собрано достаточно данных для статистического анализа, чтобы окончательно доказать, что измеренное значение действительно отличалось, а не было просто статистической флуктуацией. Другие исследовательские центры сейчас проводят новые эксперименты с g-2, и мы, вероятно, скоро узнаем о результатах.

Есть кое-что более интригующее, чем это Каонове аномалии i мюон. В 2015 году эксперимент по распаду бериллия 8Be показал аномалию. Ученые в Венгрии используют свой детектор. Однако, между прочим, они обнаружили или думали, что обнаружили, что предполагает существование пятой фундаментальной силы природы.

Исследованием заинтересовались физики Калифорнийского университета. Они предположили, что явление, названное аномалия атомки, была вызвана совершенно новой частицей, которая должна была нести пятую силу природы. Он называется X17, потому что считается, что его соответствующая масса составляет почти 17 миллионов электрон-вольт. Это в 30 раз больше массы электрона, но меньше массы протона. И то, как X17 ведет себя с протоном, является одной из его самых странных особенностей — то есть он вообще не взаимодействует с протоном. Вместо этого он взаимодействует с отрицательно заряженным электроном или нейтроном, который вообще не имеет заряда. Это затрудняет вписывание частицы X17 в нашу текущую Стандартную модель. Бозоны связаны с силами. Глюоны связаны с сильным взаимодействием, бозоны и слабое взаимодействие, а фотоны с электромагнетизмом. Существует даже гипотетический бозон для гравитации, называемый гравитоном. Как бозон, X17 будет нести свою собственную силу, например ту, которая до сих пор оставалась для нас загадкой и могла бы быть.

Вселенная и ее предпочтительное направление?

В статье, опубликованной в апреле этого года в журнале Science Advances, ученые из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее сообщили, что новые измерения света, излучаемого квазаром, удаленным от нас на 13 миллиардов световых лет, подтверждают предыдущие исследования, обнаружившие небольшие вариации в постоянная тонкая структура Вселенной. Профессор Джон Уэбб из UNSW (6) объясняет, что постоянная тонкой структуры «является величиной, которую физики используют в качестве меры электромагнитной силы». Электромагнитная сила поддерживает электроны вокруг ядер в каждом атоме Вселенной. Без него вся материя развалилась бы. До недавнего времени она считалась постоянной силой во времени и пространстве. Но в своих исследованиях за последние два десятилетия профессор Уэбб заметил аномалию в твердой тонкой структуре, в которой электромагнитная сила, измеренная в одном выбранном направлении во Вселенной, всегда кажется немного отличающейся.

«» Объясняет Уэбб. Несоответствия появились не в измерениях австралийской команды, а в сравнении их результатов со многими другими измерениями света квазаров другими учеными.

«» — говорит профессор Уэбб. «». По его мнению, результаты, кажется, предполагают, что во Вселенной может быть предпочтительное направление. Другими словами, Вселенная в каком-то смысле имела бы дипольную структуру.

«» Говорит ученый об отмеченных аномалиях.

Это еще одно: вместо того, что считалось случайным распространением галактик, квазаров, газовых облаков и планет с жизнью, у Вселенной внезапно появляется северный и южный аналог. Профессор Уэбб все же готов признать, что результаты измерений ученых, проведенных на разных этапах с использованием разных технологий и из разных мест Земли, на самом деле являются огромным совпадением.

Уэбб указывает, что если во Вселенной существует направленность и если электромагнетизм окажется немного другим в определенных областях космоса, самые фундаментальные концепции, лежащие в основе большей части современной физики, необходимо будет пересмотреть. “”, говорит. Модель основана на теории гравитации Эйнштейна, которая явно предполагает постоянство законов природы. А если нет, то… дух захватывает от мысли перевернуть все здание физики.