Yeni fizika bir çox yerdən işıq saçır

Kainatın iki ən yaxşı (bir-birinə uyğun gəlməyən) nəzəriyyələrimiz olan Standart Fizika Modelinə (1) və ya ümumi nisbilik nəzəriyyəsinə etmək istədiyimiz hər hansı mümkün dəyişikliklər artıq çox məhduddur. Başqa sözlə, bütövü pozmadan çox dəyişə bilməzsiniz.

Fakt budur ki, bizə məlum olan modellər əsasında izah edilə bilməyən nəticələr və hadisələr də var. Beləliklə, hər şeyi izaholunmaz və ya uyğunsuz etmək üçün əlimizdən gələni etməliyik, nəyin bahasına olursa olsun, mövcud nəzəriyyələrə uyğun gəlməliyik, yoxsa yenilərini axtarmalıyıq? Bu, müasir fizikanın əsas suallarından biridir.

Hissəciklər fizikasının Standart Modeli indiyə qədər müşahidə edilmiş hissəciklər arasında bütün məlum və kəşf edilmiş qarşılıqlı təsirləri uğurla izah etmişdir. Kainat ondan ibarətdir kvarklar, leptonov və təbiətdəki dörd əsas qüvvədən üçünü ötürən və hissəciklərə dinclik kütləsini verən bozonlar. Ümumi nisbilik də var, bizim, təəssüf ki, kainatdakı məkan-zaman, maddə və enerji arasındakı əlaqəni təsvir edən kvant cazibə nəzəriyyəmiz deyil.

Bu iki nəzəriyyədən kənara çıxmağın çətinliyi ondan ibarətdir ki, əgər siz onları yeni elementlər, anlayışlar və kəmiyyətlər təqdim etməklə dəyişdirməyə çalışsanız, artıq əldə etdiyimiz ölçmə və müşahidələrlə ziddiyyət təşkil edən nəticələr əldə edəcəksiniz. Onu da xatırlamağa dəyər ki, əgər indiki elmi çərçivəmizdən kənara çıxmaq istəyirsinizsə, sübut yükü çox böyükdür. Digər tərəfdən, onilliklər boyu sınaqdan keçirilmiş modelləri baltalayan birindən bu qədər çox şey gözləmək çətindir.

Belə tələblər qarşısında heç kimin fizikada mövcud olan paradiqmaya tamamilə etiraz etməyə çalışması təəccüblü deyil. Və əgər belədirsə, o, heç də ciddi qəbul edilmir, çünki sadə yoxlamalarda tez büdrəyir. Beləliklə, əgər biz potensial dəlikləri görsək, deməli, bunlar sadəcə olaraq, hardasa nəyinsə parıldadığını bildirən reflektorlardır, lakin ümumiyyətlə ora getməyə dəyər olub-olmadığı bəlli deyil.

Məlum fizika kainatı idarə edə bilməz

Bu "tamamilə yeni və fərqli" parıltı nümunələri? Yaxşı, məsələn, Kainatın yalnız Standart Modelin hissəcikləri ilə doldurulması və ümumi nisbilik nəzəriyyəsinə tabe olması ifadəsi ilə ziddiyyətli görünən geri çəkilmə sürətinin müşahidələri. Biz bilirik ki, ayrı-ayrı cazibə mənbələri, qalaktikalar, qalaktika qrupları və hətta böyük kosmik şəbəkə bu fenomeni izah etmək üçün kifayət deyil. Biz bilirik ki, Standart Modeldə maddə və antimaddə bərabər miqdarda yaradılıb məhv edilməli olduğu bildirilsə də, biz az miqdarda antimaddə ilə əsasən maddədən ibarət bir kainatda yaşayırıq. Yəni kainatda gördüyümüz hər şeyi “məlum fizikanın” izah edə bilməyəcəyini görürük.

Bir çox təcrübə gözlənilməz nəticələr verdi ki, daha yüksək səviyyədə sınaqdan keçirilsə, inqilabi ola bilər. Hətta hissəciklərin varlığını göstərən sözdə Atom Anomaliyası eksperimental səhv ola bilər, lakin bu Standart Modeldən kənara çıxmağın əlaməti ola bilər. Kainatın ölçülməsinin müxtəlif üsulları onun genişlənmə sürəti üçün müxtəlif qiymətlər verir - bu problemi MT-nin son saylarından birində ətraflı nəzərdən keçirdik.

Lakin bu anomaliyaların heç biri yeni fizikanın mübahisəsiz əlaməti sayılacaq qədər inandırıcı nəticələr vermir. Bunların hər hansı biri və ya hamısı sadəcə statistik dalğalanmalar və ya səhv kalibrlənmiş alət ola bilər. Onların bir çoxu yeni fizikaya işarə edə bilər, lakin onlar ümumi nisbilik və Standart Model kontekstində məlum hissəciklər və hadisələrdən istifadə etməklə asanlıqla izah edilə bilər.

Daha aydın nəticələrə və tövsiyələrə ümid edərək sınaq keçirməyi planlaşdırırıq. Qaranlıq enerjinin sabit bir dəyəri olub olmadığını tezliklə görə bilərik. Vera Rubin Rəsədxanası tərəfindən planlaşdırılan qalaktika tədqiqatlarına və gələcəkdə təqdim ediləcək uzaq fövqəlnovalara dair məlumatlar əsasında. nancy Grace teleskopu, əvvəllər WFIRST, biz qaranlıq enerjinin zamanla 1%-ə qədər təkamül edib-etmədiyini öyrənməliyik. Əgər belədirsə, onda bizim "standart" kosmoloji modelimiz dəyişdirilməli olacaq. Ola bilsin ki, kosmik lazer interferometr antenası (LISA) plan baxımından da bizə sürprizlər bəxş etsin. Bir sözlə, planlaşdırdığımız müşahidə vasitələrinə və təcrübələrə ümid edirik.

Biz hələ də hissəciklər fizikası sahəsində çalışırıq, Modeldən kənar hadisələri, məsələn, elektron və muonun maqnit anlarının daha dəqiq ölçülməsi kimi hadisələri tapmağa ümid edirik - əgər onlar razılaşmırsa, yeni fizika yaranır. Onların necə dəyişdiyini anlamağa çalışırıq neytrino – burada da yeni fizika işıq saçır. Əgər dairəvi və ya xətti (2) dəqiq bir elektron-pozitron toqquşdurucusu qursaq, LHC-nin hələ aşkar edə bilmədiyi Standart Modeldən kənar şeyləri aşkar edə bilərik. Fizika dünyasında 100 km-ə qədər çevrə ilə LHC-nin daha böyük bir versiyası çoxdan təklif edilmişdir. Bu, bir çox fiziklərin fikrincə, nəhayət, yeni hadisələrin siqnalını verəcək daha yüksək toqquşma enerjiləri verəcəkdir. Halbuki, bu, həddən artıq bahalı investisiyadır və nəhəngin yalnız prinsiplə – “gəl onu tikək, görək bizə nə göstərəcək” prinsipi ilə tikilməsi xeyli şübhələr yaradır.

2. Xətti lepton kollayderi - vizuallaşdırma

Fizika elmində problemlərə iki cür yanaşma var. Birincisi, kompleks yanaşmadır, müəyyən bir problemin həlli üçün bir təcrübə və ya rəsədxananın dar dizaynından ibarətdir. İkinci yanaşma kobud güc metodu adlanır.kainatı əvvəlki yanaşmalarımızdan tamamilə yeni bir şəkildə tədqiq etmək üçün universal, sərhədi itələyən təcrübə və ya rəsədxana inkişaf etdirən. Birincisi Standart Modeldə daha yaxşı yönümlüdür. İkincisi, daha çox bir şeyin izlərini tapmağa imkan verir, lakin təəssüf ki, bu bir şey dəqiq müəyyən edilməmişdir. Beləliklə, hər iki üsulun çatışmazlıqları var.

Fizikanın müqəddəs qeyrəti olan Hər Şeyin Nəzəriyyəsini (TUT) axtarın, ikinci kateqoriyaya daxil edilməlidir, çünki çox vaxt daha yüksək və daha yüksək enerjilərin tapılmasına gəlir (3). təbiət nəhayət bir qarşılıqlı əlaqədə birləşir.

3. Qarşılıqlı təsirlərin hipotetik birləşməsi üçün tələb olunan enerjilər

Nisforn neytrino

Bu yaxınlarda MT-də geniş hesabat dərc etdirdiyimiz neytrino tədqiqatı kimi elm daha maraqlı sahələrə getdikcə daha çox diqqət yetirir. 2020-ci ilin fevral ayında Astrophysical Journal Antarktidada naməlum mənşəli yüksək enerjili neytrinoların kəşfi haqqında bir nəşr dərc etdi. Tanınmış eksperimentdən əlavə, şaxtalı qitədə sensoru olan bir şarın buraxılmasından ibarət ANITA (kod adı) ilə də araşdırma aparıldı. radio dalğaları.

Hər ikisi də, ANITA da buz təşkil edən bərk maddə ilə toqquşan yüksək enerjili neytrinolardan gələn radio dalğalarını axtarmaq üçün nəzərdə tutulmuşdu. Harvard Astronomiya Departamentinin sədri Avi Loeb, Salonun saytında belə izah etdi: “ANITA tərəfindən aşkar edilən hadisələr, əlbəttə ki, anomaliya kimi görünür, çünki onları astrofiziki mənbələrdən neytrino kimi izah etmək mümkün deyil. (...) Bu, adi maddə ilə neytrinodan daha zəif qarşılıqlı təsir göstərən bir növ hissəcik ola bilər. Biz belə hissəciklərin qaranlıq maddə kimi mövcud olduğundan şübhələnirik. Bəs ANITA tədbirlərini bu qədər enerjili edən nədir?”

Neytrinolar Standart Modeli pozduğu bilinən yeganə hissəciklərdir. Elementar hissəciklərin Standart Modelinə görə bizdə üç növ neytrino (elektron, muon və tau) və üç növ antineytrino olmalıdır və onlar əmələ gəldikdən sonra sabit və xassələrində dəyişməz olmalıdırlar. 60-cı illərdən etibarən Günəşin yaratdığı neytrinoların ilk hesablamaları və ölçüləri ortaya çıxanda bir problem olduğunu anladıq. Biz neçə elektron neytrinonun əmələ gəldiyini bilirdik günəş nüvəsi. Ancaq neçə nəfərin gəldiyini ölçəndə proqnozlaşdırılan rəqəmin yalnız üçdə birini gördük.

Ya detektorlarımızda, ya da Günəş modelimizdə, ya da neytrinoların özündə nəsə səhvdir. Reaktor təcrübələri detektorlarımızda nəyinsə səhv olması fikrini tez bir zamanda təkzib etdi (4). Gözlənildiyi kimi işlədilər və performansları çox yaxşı qiymətləndirildi. Aşkar etdiyimiz neytrinolar gələn neytrinoların sayına nisbətdə qeydə alınıb. Onilliklər ərzində bir çox astronomlar günəş modelimizin səhv olduğunu iddia edirdilər.

4. Super Kamiokande detektorundan Cherenkov radiasiyasında neytrino hadisələrinin şəkilləri

Əlbəttə, başqa bir ekzotik ehtimal da var idi ki, əgər doğru olarsa, bizim kainat haqqında anlayışımızı Standart Modelin proqnozlaşdırdıqlarından dəyişəcək. İdeya budur ki, bildiyimiz üç növ neytrino əslində kütləyə malikdir, yox arıq, və onlar kifayət qədər enerjiyə malik olarsa, ləzzətləri dəyişdirmək üçün qarışdıra (dəyişə bilər). Neytrino elektron şəkildə tetiklenirse, o, yol boyu dəyişə bilər muon i taonovlakin bu, yalnız kütləsi olduqda mümkündür. Alimləri sağ və sol əlli neytrinolar problemi narahat edir. Çünki onu ayırd edə bilmirsənsə, onun zərrə və ya antihissəcik olduğunu ayırd edə bilməzsən.

Bir neytrino öz antihissəcik ola bilərmi? Adi Standart Modelə uyğun deyil. fermionlarümumiyyətlə, onlar öz antihissəcikləri olmamalıdırlar. Fermion ± XNUMX/XNUMX fırlanma ilə hər hansı bir hissəcikdir. Bu kateqoriyaya bütün kvarklar və leptonlar, o cümlədən neytrinolar daxildir. Bununla belə, indiyə qədər yalnız nəzəri cəhətdən mövcud olan xüsusi bir fermion növü var - öz antihissəcikləri olan Majorana fermionu. Əgər mövcud olsaydı, xüsusi bir şey baş verə bilərdi... neytrino pulsuz ikiqat beta çürüməsi. Və burada çoxdan belə bir boşluq axtaran eksperimentçilər üçün bir şans var.

Neytrinoların iştirak etdiyi bütün müşahidə edilən proseslərdə bu hissəciklər fiziklərin solaxaylıq adlandırdıqları bir xüsusiyyət nümayiş etdirirlər. Standart Modelin ən təbii uzantısı olan sağ əlli neytrinolar heç yerdə görünmür. Bütün digər MS hissəciklərinin sağ əlli versiyası var, lakin neytrinolarda yoxdur. Niyə? Polşa Elmlər Akademiyasının Krakovdakı Nüvə Fizikası İnstitutu (IFJ PAN) daxil olmaqla, beynəlxalq fiziklər komandasının son, son dərəcə əhatəli təhlili bu məsələ ilə bağlı araşdırma aparıb. Alimlər hesab edirlər ki, sağ əlli neytrinoların müşahidə edilməməsi onların Majorana fermionları olduğunu sübut edə bilər. Əgər onlar olsaydı, onda onların sağ tərəfli versiyası son dərəcə kütləvidir, bu da aşkarlanmanın çətinliyini izah edir.

Neytrinoların antihissəcik olub-olmadığını hələ də bilmirik. Onların kütlələrini Higgs bozonunun çox zəif bağlanmasından, yoxsa başqa mexanizmlə əldə etdiklərini bilmirik. Və biz bilmirik, bəlkə də neytrino sektoru düşündüyümüzdən qat-qat mürəkkəbdir, steril və ya ağır neytrinolar qaranlıqda gizlənir.

Atomlar və digər anomaliyalar

Elementar hissəciklər fizikasında, dəbdə olan neytrinolardan başqa, "yeni fizikanın" parlaya biləcəyi başqa, az tanınan tədqiqat sahələri də var. Alimlər, məsələn, bu yaxınlarda müəmmalı izah etmək üçün yeni tip subatom hissəcikləri təklif etdilər. kimi parçalanma (5) dən ibarət olan mezon hissəciyinin xüsusi halı bir kvark i bir antikvar satıcısı. Kaon hissəcikləri çürüdükdə, onların kiçik bir hissəsi alimləri təəccübləndirən dəyişikliklərə məruz qalır. Bu çürümə tərzi yeni növ hissəcik və ya işdə yeni fiziki qüvvə göstərə bilər. Bu Standart Modelin əhatə dairəsindən kənardadır.

Standart Modeldə boşluqları tapmaq üçün daha çox təcrübə var. Bunlara g-2 muonun axtarışı daxildir. Təxminən yüz il əvvəl fizik Pol Dirak g-dən istifadə edərək elektronun maqnit momentini proqnozlaşdırmışdı, bu rəqəm hissəciyin spin xassələrini təyin etdi. Sonra ölçmələr göstərdi ki, "g" 2-dən bir qədər fərqlidir və fiziklər atomaltı hissəciklərin daxili quruluşunu və ümumiyyətlə fizika qanunlarını öyrənmək üçün "g" ilə 2-nin faktiki dəyəri arasındakı fərqdən istifadə etməyə başladılar. 1959-cu ildə İsveçrənin Cenevrə şəhərindəki CERN elektrona bağlı, lakin qeyri-sabit və elementar hissəcikdən 2 dəfə ağır olan muon adlı atomaltı hissəciyin g-207 dəyərini ölçən ilk təcrübə apardı.

Nyu Yorkdakı Brookhaven Milli Laboratoriyası öz təcrübəsinə başladı və 2-cü ildə g-2004 təcrübəsinin nəticələrini dərc etdi. Ölçmə Standart Modelin proqnozlaşdırdığı kimi deyildi. Bununla belə, təcrübə ölçülmüş dəyərin həqiqətən fərqli olduğunu və sadəcə statistik dalğalanma olmadığını qəti şəkildə sübut etmək üçün statistik təhlil üçün kifayət qədər məlumat toplamadı. Digər tədqiqat mərkəzləri indi g-2 ilə yeni eksperimentlər həyata keçirirlər və yəqin ki, tezliklə nəticələrini biləcəyik.

Bundan daha maraqlı bir şey var Kaon anomaliyaları i muon. 2015-ci ildə berilyum 8Be-nin parçalanması ilə bağlı təcrübə anomaliya göstərdi. Macarıstan alimləri öz detektorundan istifadə edirlər. Ancaq yeri gəlmişkən, onlar kəşf etdilər və ya kəşf etdiklərini düşündülər, bu da təbiətin beşinci əsas gücünün mövcudluğunu göstərir.

Kaliforniya Universitetinin fizikləri tədqiqatla maraqlanıblar. Onlar fenomenin çağırılmasını təklif etdilər atom anomaliyası, təbiətin beşinci qüvvəsini daşımalı olan tamamilə yeni bir hissəcik səbəb oldu. O, X17 adlanır, çünki onun müvafiq kütləsinin təxminən 17 milyon elektron volt olduğu düşünülür. Bu, elektronun kütləsindən 30 dəfə çoxdur, lakin protonun kütləsindən azdır. X17-nin protonla davranış tərzi onun ən qəribə xüsusiyyətlərindən biridir - yəni protonla ümumiyyətlə qarşılıqlı əlaqədə olmur. Bunun əvəzinə o, heç bir yükü olmayan mənfi yüklü elektron və ya neytronla qarşılıqlı əlaqədə olur. Bu, X17 hissəciyinin hazırkı Standart Modelimizə uyğunlaşdırılmasını çətinləşdirir. Bozonlar qüvvələrlə əlaqələndirilir. Qluonlar güclü qüvvə ilə, bozonlar zəif qüvvə ilə, fotonlar isə elektromaqnetizmlə əlaqələndirilir. Hətta cazibə qüvvəsi üçün qraviton adlanan hipotetik bozon da var. Bozon olaraq, X17 indiyə qədər bizim üçün sirr olan və ola bildiyi kimi özünəməxsus bir qüvvə daşıyacaq.

Kainat və onun üstünlük verdiyi istiqamət?

Bu ilin aprel ayında Science Advances jurnalında dərc olunan məqalədə Sidneydəki Yeni Cənubi Uels Universitetinin alimləri bildirdilər ki, 13 milyard işıq ili uzaqlıqda yerləşən kvazar tərəfindən yayılan işığın yeni ölçüləri əvvəlki tədqiqatların incə sabit strukturda kiçik dəyişikliklər aşkar etdiyini təsdiqləyir. kainatın. Professor John Webb UNSW-dən (6) izah edir ki, incə struktur sabiti "fiziklərin elektromaqnit qüvvəsinin ölçüsü kimi istifadə etdikləri kəmiyyətdir". elektromaqnit qüvvəsi kainatdakı hər bir atomda nüvələrin ətrafında elektronları saxlayır. Onsuz, hər şey dağılacaqdı. Yaxın vaxtlara qədər o, zaman və məkanda daimi qüvvə hesab olunurdu. Lakin son iki onillikdə apardığı araşdırmalarda professor Webb bərk incə strukturda kainatda seçilmiş bir istiqamətdə ölçülən elektromaqnit qüvvəsinin həmişə bir qədər fərqli göründüyü bir anomaliya müşahidə etdi.

"" Uebb izah edir. Uyğunsuzluqlar Avstraliya komandasının ölçmələrində deyil, onların nəticələrini digər alimlərin kvazar işığının bir çox digər ölçmələri ilə müqayisə edərkən ortaya çıxdı.

"" Professor Webb deyir. "". Onun fikrincə, nəticələr kainatda üstünlük verilən istiqamətin ola biləcəyini göstərir. Başqa sözlə, kainat müəyyən mənada dipol quruluşa malik olardı.

"" Alim qeyd olunan anomaliyalar haqqında deyir.

Bu daha bir şeydir: qalaktikaların, kvazarların, qaz buludlarının və həyat olan planetlərin təsadüfi yayıldığı düşünülən şeyin yerinə, kainatın birdən şimal və cənub tərəfdarı var. Professor Uebb bununla belə etiraf etməyə hazırdır ki, elm adamlarının müxtəlif texnologiyalardan istifadə edərək müxtəlif mərhələlərdə və Yer kürəsinin müxtəlif yerlərindən apardıqları ölçmələrin nəticələri əslində böyük bir təsadüfdür.

Webb qeyd edir ki, əgər kainatda istiqamətlilik varsa və kosmosun müəyyən bölgələrində elektromaqnetizm bir qədər fərqli olarsa, müasir fizikanın çox hissəsinin arxasında duran ən fundamental anlayışlara yenidən baxılmalı olacaq. "", danışır. Model Eynşteynin təbiət qanunlarının sabitliyini açıq şəkildə qəbul edən cazibə nəzəriyyəsinə əsaslanır. Əgər belə deyilsə, onda ... fizikanın bütün binasını çevirmək fikri nəfəs kəsicidir.