Fizikia mpya huangaza kutoka sehemu nyingi

Mabadiliko yoyote yanayowezekana ambayo tungependa kufanya kwa Muundo Wastani wa fizikia (1) au uhusiano wa jumla, nadharia zetu mbili bora (ingawa hazipatani) za ulimwengu, tayari zina mipaka sana. Kwa maneno mengine, huwezi kubadilisha mengi bila kudhoofisha nzima.

Ukweli ni kwamba pia kuna matokeo na matukio ambayo hayawezi kuelezewa kwa misingi ya mifano inayojulikana kwetu. Kwa hivyo tunapaswa kwenda nje ya njia yetu kufanya kila kitu kisichoelezeka au kisicholingana kwa gharama yoyote inayolingana na nadharia zilizopo, au tunapaswa kutafuta mpya? Hili ni moja ya maswali ya kimsingi ya fizikia ya kisasa.

Muundo Sanifu wa fizikia ya chembe umefaulu kuelezea mwingiliano wote unaojulikana na uliogunduliwa kati ya chembe ambazo zimewahi kuzingatiwa. Ulimwengu umeundwa na quarks, leptonov na viunga vya kupima, ambavyo hupitisha nguvu tatu kati ya zile nne za kimsingi katika asili na kutoa chembe misa yao ya kupumzika. Pia kuna uhusiano wa jumla, yetu, kwa bahati mbaya, sio nadharia ya quantum ya mvuto, ambayo inaelezea uhusiano kati ya muda wa nafasi, suala na nishati katika ulimwengu.

Ugumu wa kwenda zaidi ya nadharia hizi mbili ni kwamba ukijaribu kuzibadilisha kwa kuingiza vipengele, dhana na kiasi kipya, utapata matokeo ambayo yanapingana na vipimo na uchunguzi ambao tayari tunao. Inafaa pia kukumbuka kuwa ikiwa unataka kwenda zaidi ya mfumo wetu wa sasa wa kisayansi, mzigo wa uthibitisho ni mkubwa. Kwa upande mwingine, ni vigumu kutotarajia mengi kutoka kwa mtu ambaye anadhoofisha mifano iliyojaribiwa kwa miongo kadhaa.

Katika uso wa mahitaji kama haya, haishangazi kwamba hakuna mtu anayejaribu kupinga kabisa dhana iliyopo katika fizikia. Na ikiwa inafanya, haijachukuliwa kwa uzito kabisa, kwani inajikwaa haraka kwenye hundi rahisi. Kwa hivyo, ikiwa tunaona mashimo yanayowezekana, basi hizi ni viashiria tu, vinavyoashiria kwamba kitu kinaangaza mahali fulani, lakini haijulikani ikiwa inafaa kwenda huko kabisa.

Fizikia inayojulikana haiwezi kushughulikia ulimwengu

Mifano ya shimmer ya hii "mpya na tofauti kabisa"? Kweli, kwa mfano, uchunguzi wa kasi ya kurudi nyuma, ambayo inaonekana haiendani na taarifa kwamba Ulimwengu umejazwa tu na chembe za Modeli ya Kawaida na inatii nadharia ya jumla ya uhusiano. Tunajua kwamba vyanzo vya mtu binafsi vya mvuto, galaksi, makundi ya galaksi, na hata mtandao mkubwa wa cosmic haitoshi kuelezea jambo hili, labda. Tunajua kwamba, ingawa Muundo Wastani unasema kwamba maada na antimatter zinapaswa kuundwa na kuharibiwa kwa viwango sawa, tunaishi katika ulimwengu unaoundwa zaidi na mata na kiasi kidogo cha antimatter. Kwa maneno mengine, tunaona kwamba "fizikia inayojulikana" haiwezi kueleza kila kitu tunachokiona katika ulimwengu.

Majaribio mengi yametoa matokeo yasiyotarajiwa ambayo, yakijaribiwa kwa kiwango cha juu, yanaweza kuwa ya kimapinduzi. Hata kile kinachoitwa Anomaly ya Atomiki inayoonyesha kuwepo kwa chembe inaweza kuwa makosa ya majaribio, lakini pia inaweza kuwa ishara ya kwenda zaidi ya Standard Model. Njia tofauti za kupima ulimwengu hutoa maadili tofauti kwa kiwango cha upanuzi wake - shida ambayo tulizingatia kwa undani katika moja ya maswala ya hivi karibuni ya MT.

Walakini, hakuna hitilafu hizi zinazotoa matokeo ya kutosha ya kuzingatiwa kuwa ishara isiyopingika ya fizikia mpya. Yoyote au yote haya yanaweza kuwa tu mabadiliko ya takwimu au chombo kilichorekebishwa vibaya. Nyingi kati yazo zinaweza kuelekeza kwenye fizikia mpya, lakini zinaweza kuelezewa kwa urahisi kwa kutumia chembe na matukio yanayojulikana katika muktadha wa uhusiano wa jumla na Muundo wa Kawaida.

Tunapanga kufanya majaribio, tukitarajia matokeo na mapendekezo yaliyo wazi zaidi. Tunaweza kuona hivi karibuni ikiwa nishati ya giza ina thamani ya mara kwa mara. Kulingana na tafiti za galaksi zilizopangwa na Vera Rubin Observatory na data juu ya supernovae za mbali zitakazopatikana katika siku zijazo. darubini ya neema ya nancy, hapo awali WFIRST, tunahitaji kujua kama nishati ya giza hubadilika baada ya muda hadi ndani ya 1%. Ikiwa ndivyo, basi mtindo wetu wa "kawaida" wa ulimwengu utalazimika kubadilishwa. Inawezekana kwamba antenna ya laser interferometer ya nafasi (LISA) katika suala la mpango pia itatupa mshangao. Kwa kifupi, tunategemea magari ya uchunguzi na majaribio ambayo tunapanga.

Pia bado tunafanya kazi katika uwanja wa fizikia ya chembe, tunatarajia kupata matukio nje ya Mfano, kama vile kipimo sahihi zaidi cha muda wa sumaku wa elektroni na muon - ikiwa hazikubaliani, fizikia mpya inaonekana. Tunafanya kazi ili kujua jinsi zinavyobadilika neutrino - hapa, pia, fizikia mpya inaangaza. Na ikiwa tutaunda kigongeo sahihi cha elektroni-positron, mviringo au mstari (2), tunaweza kugundua vitu zaidi ya Kielelezo Kawaida ambacho LHC haiwezi kugundua. Katika ulimwengu wa fizikia, toleo kubwa la LHC na mzunguko wa hadi kilomita 100 limependekezwa kwa muda mrefu. Hii ingetoa nishati ya juu zaidi ya mgongano, ambayo, kulingana na wanafizikia wengi, hatimaye ingeashiria matukio mapya. Walakini, huu ni uwekezaji wa gharama kubwa sana, na ujenzi wa giant tu kwa kanuni - "wacha tuijenge na tuone itatuonyesha nini" huibua mashaka mengi.

2. Linear lepton collider - taswira

Kuna aina mbili za mbinu ya matatizo katika sayansi ya kimwili. Ya kwanza ni mbinu tata, ambayo inajumuisha muundo finyu wa majaribio au uchunguzi wa kutatua tatizo mahususi. Njia ya pili inaitwa njia ya nguvu ya brute.ambaye hutengeneza jaribio la jumla, la kusukuma mipaka au uchunguzi wa kuchunguza ulimwengu kwa njia mpya kabisa kuliko mbinu zetu za awali. Ya kwanza inaelekezwa vyema zaidi katika Mfano wa Kawaida. Ya pili hukuruhusu kupata athari za kitu zaidi, lakini, kwa bahati mbaya, kitu hiki hakijafafanuliwa haswa. Kwa hivyo, njia zote mbili zina shida zao.

Tafuta kile kinachoitwa Nadharia ya Kila kitu (TUT), grail takatifu ya fizikia, inapaswa kuwekwa katika kitengo cha pili, kwani mara nyingi zaidi inakuja kupata nguvu za juu na za juu (3), ambazo nguvu za asili hatimaye kuchanganya katika mwingiliano mmoja.

3. Nishati zinazohitajika kwa muunganisho dhahania wa mwingiliano

Nisforn neutrino

Hivi majuzi, sayansi imejikita zaidi na zaidi katika maeneo ya kuvutia zaidi, kama vile utafiti wa neutrino, ambao hivi karibuni tulichapisha ripoti ya kina katika MT. Mnamo Februari 2020, Jarida la Astrophysical lilichapisha uchapishaji kuhusu ugunduzi wa neutrinos zenye nguvu nyingi za asili isiyojulikana huko Antaktika. Mbali na jaribio linalojulikana, utafiti pia ulifanyika kwenye bara la baridi chini ya jina la kificho ANITA (), likijumuisha kutolewa kwa puto na sensor. mawimbi ya redio.

Vyote viwili na ANITA viliundwa kutafuta mawimbi ya redio kutoka kwa neutrino zenye nguvu nyingi zinazogongana na jambo gumu linalotengeneza barafu. Avi Loeb, mwenyekiti wa Idara ya Unajimu ya Harvard, alielezea kwenye tovuti ya Salon: "Matukio yaliyogunduliwa na ANITA hakika yanaonekana kama shida kwa sababu hayawezi kuelezewa kama neutrinos kutoka vyanzo vya anga. (...) Inaweza kuwa aina fulani ya chembe inayoingiliana dhaifu kuliko neutrino na maada ya kawaida. Tunashuku kuwa chembe kama hizo zipo kama vitu vya giza. Lakini ni nini hufanya matukio ya ANITA kuwa ya nguvu sana?"

Neutrino ndizo chembe pekee zinazojulikana kukiuka Muundo wa Kawaida. Kwa mujibu wa Standard Model ya chembe za msingi, lazima tuwe na aina tatu za neutrinos (elektroniki, muon na tau) na aina tatu za antineutrinos, na baada ya malezi yao lazima iwe imara na isiyobadilika katika mali zao. Tangu miaka ya 60, wakati mahesabu ya kwanza na vipimo vya neutrinos zinazozalishwa na Jua zilionekana, tuligundua kuwa kulikuwa na tatizo. Tulijua ni neutrino ngapi za elektroni ziliundwa ndani msingi wa jua. Lakini tulipopima ni wangapi waliofika, tuliona theluthi moja tu ya idadi iliyotabiriwa.

Labda kuna kitu kibaya na vigunduzi vyetu, au kuna kitu kibaya na muundo wetu wa Jua, au kuna kitu kibaya na neutrinos zenyewe. Majaribio ya Reactor haraka yalikanusha wazo kwamba kuna kitu kibaya na vigunduzi vyetu (4). Walifanya kazi kama ilivyotarajiwa na utendaji wao ulikadiriwa vizuri sana. Neutrino tulizogundua zilisajiliwa kulingana na idadi ya neutrino zinazowasili. Kwa miongo kadhaa, wanaastronomia wengi wamebishana kuwa muundo wetu wa jua sio sahihi.

4. Picha za matukio ya neutrino katika mionzi ya Cherenkov kutoka kwa detector ya Super Kamiokande

Bila shaka, kulikuwa na uwezekano mwingine wa kigeni ambao, ikiwa ni kweli, ungebadilisha uelewa wetu wa ulimwengu kutoka kwa kile Modeli Sanifu ilitabiri. Wazo ni kwamba aina tatu za neutrinos tunazojua kweli zina wingi, sio konda, na kwamba wanaweza kuchanganya (fluctuate) ili kubadilisha ladha ikiwa wana nishati ya kutosha. Ikiwa neutrino imeanzishwa kwa njia ya kielektroniki, inaweza kubadilika njiani kwenda muon i taonovlakini hii inawezekana tu wakati ina misa. Wanasayansi wana wasiwasi kuhusu tatizo la neutrinos za mkono wa kulia na wa kushoto. Kwani kama huwezi kutofautisha, huwezi kutofautisha ikiwa ni chembe au antiparticle.

Je, neutrino inaweza kuwa antiparticle yake yenyewe? Sio kulingana na Mfano wa Kawaida. Fermionskwa ujumla hawapaswi kuwa antiparticles yao wenyewe. Fermion ni chembe yoyote yenye mzunguko wa ± XNUMX/XNUMX. Aina hii inajumuisha quarks na leptoni zote, ikiwa ni pamoja na neutrinos. Hata hivyo, kuna aina maalum ya fermions, ambayo hadi sasa ipo tu katika nadharia - Majorana fermion, ambayo ni antiparticle yake mwenyewe. Ikiwa ilikuwepo, kitu maalum kinaweza kutokea ... neutrino bure kuoza kwa beta mara mbili. Na hapa kuna nafasi kwa wajaribu ambao wamekuwa wakitafuta pengo kama hilo kwa muda mrefu.

Katika michakato yote inayozingatiwa inayohusisha neutrinos, chembe hizi zinaonyesha sifa ambayo wanafizikia huita matumizi ya mkono wa kushoto. Neutrino za mkono wa kulia, ambazo ni kiendelezi cha asili zaidi cha Modeli ya Kawaida, hazionekani popote. Chembe nyingine zote za MS zina toleo la mkono wa kulia, lakini neutrino hazina. Kwa nini? Uchambuzi wa hivi punde na wa kina kabisa wa timu ya kimataifa ya wanafizikia, ikijumuisha Taasisi ya Fizikia ya Nyuklia ya Chuo cha Sayansi cha Poland (IFJ PAN) huko Krakow, umefanya utafiti kuhusu suala hili. Wanasayansi wanaamini kwamba ukosefu wa uchunguzi wa neutrinos za mkono wa kulia unaweza kuthibitisha kwamba ni fermions ya Majorana. Ikiwa walikuwa, basi toleo lao la upande wa kulia ni kubwa sana, ambalo linaelezea ugumu wa kugundua.

Bado hatujui kama neutrino ni antiparticles zenyewe. Hatujui kama wanapata misa yao kutoka kwa ufungaji dhaifu sana wa Higgs boson, au ikiwa wanaipata kupitia utaratibu mwingine. Na hatujui, labda sekta ya neutrino ni ngumu zaidi kuliko tunavyofikiria, na neutrinos tasa au nzito zikinyemelea gizani.

Atomi na makosa mengine

Katika fizikia ya chembe za msingi, kando na neutrino za mtindo, kuna maeneo mengine, ambayo hayajulikani sana ya utafiti ambayo "fizikia mpya" inaweza kuangaza. Wanasayansi, kwa mfano, hivi majuzi wamependekeza aina mpya ya chembe ndogo kuelezea fumbo. kutengana kama (5), kipochi maalum cha chembe ya meson inayojumuisha quark moja i muuzaji mmoja wa kale. Chembe za kaon zinapooza, sehemu ndogo ya hizo hupitia mabadiliko ambayo yaliwashangaza wanasayansi. Mtindo wa uozo huu unaweza kuonyesha aina mpya ya chembe au nguvu mpya ya kimwili inayofanya kazi. Hii ni nje ya upeo wa Standard Model.

Kuna majaribio zaidi ya kupata mapungufu katika Muundo wa Kawaida. Hizi ni pamoja na utafutaji wa g-2 muon. Karibu miaka mia moja iliyopita, mwanafizikia Paul Dirac alitabiri wakati wa sumaku wa elektroni kwa kutumia g, nambari ambayo huamua sifa za mzunguko wa chembe. Kisha vipimo vilionyesha kuwa "g" ni tofauti kidogo na 2, na wanafizikia walianza kutumia tofauti kati ya thamani halisi ya "g" na 2 kujifunza muundo wa ndani wa chembe za subatomic na sheria za fizikia kwa ujumla. Mnamo 1959, CERN huko Geneva, Uswisi, ilifanya jaribio la kwanza ambalo lilipima thamani ya g-2 ya chembe ndogo inayoitwa muon, inayofungamana na elektroni lakini isiyo thabiti na mara 207 nzito kuliko chembe ya msingi.

Maabara ya Kitaifa ya Brookhaven huko New York ilianza majaribio yake yenyewe na kuchapisha matokeo ya jaribio lao la g-2 mnamo 2004. Kipimo hakikuwa kile ambacho Modeli ya Kawaida ilitabiri. Hata hivyo, jaribio halikukusanya data ya kutosha kwa ajili ya uchanganuzi wa takwimu ili kuthibitisha kwa uthabiti kwamba thamani iliyopimwa ilikuwa tofauti na si tu mabadiliko ya takwimu. Vituo vingine vya utafiti sasa vinafanya majaribio mapya na g-2, na pengine tutajua matokeo hivi karibuni.

Kuna jambo la kushangaza zaidi ya hili Makosa ya Kaon i muon. Mnamo 2015, jaribio la kuoza kwa berili 8Be lilionyesha hali isiyo ya kawaida. Wanasayansi nchini Hungaria wanatumia kigunduzi chao. Kwa bahati mbaya, hata hivyo, waligundua, au walifikiri waligundua, ambayo inapendekeza kuwepo kwa nguvu ya tano ya asili ya asili.

Wanafizikia kutoka Chuo Kikuu cha California walipendezwa na utafiti huo. Walipendekeza kwamba uzushi wito upungufu wa atomiki, ilisababishwa na chembe mpya kabisa, ambayo ilipaswa kubeba nguvu ya tano ya asili. Inaitwa X17 kwa sababu uzito wake unaolingana unafikiriwa kuwa karibu volti milioni 17 za elektroni. Hii ni mara 30 ya wingi wa elektroni, lakini chini ya wingi wa protoni. Na jinsi X17 inavyofanya na protoni ni moja wapo ya sifa zake za kushangaza - ambayo ni, haiingiliani na protoni hata kidogo. Badala yake, inaingiliana na elektroni iliyochajiwa vibaya au neutroni, ambayo haina malipo yoyote. Hii inafanya kuwa vigumu kutosheleza chembe X17 kwenye Modeli yetu ya Kawaida ya sasa. Bosons huhusishwa na nguvu. Gluons huhusishwa na nguvu kali, bosons na nguvu dhaifu, na photons na electromagnetism. Kuna hata boson ya dhahania ya mvuto inayoitwa graviton. Kama boson, X17 itabeba nguvu yake mwenyewe, kama ile ambayo hadi sasa imebaki kuwa siri kwetu na inaweza kuwa.

Ulimwengu na mwelekeo wake unaopendelea?

Katika karatasi iliyochapishwa Aprili hii katika jarida la Science Advances, wanasayansi katika Chuo Kikuu cha New South Wales huko Sydney waliripoti kwamba vipimo vipya vya mwanga vinavyotolewa na quasar ya umbali wa miaka bilioni 13 ya mwanga vinathibitisha masomo ya awali ambayo yalipata tofauti ndogo katika muundo mzuri wa kudumu. ya ulimwengu. Profesa John Webb kutoka UNSW (6) inaeleza kuwa muundo mzuri wa kudumu "ni kiasi ambacho wanafizikia hutumia kama kipimo cha nguvu ya sumakuumeme." nguvu ya sumakuumeme hudumisha elektroni kuzunguka viini katika kila atomi katika ulimwengu. Bila hivyo, mambo yote yangeanguka. Hadi hivi karibuni, ilionekana kuwa nguvu ya mara kwa mara kwa wakati na nafasi. Lakini katika utafiti wake katika kipindi cha miongo miwili iliyopita, Profesa Webb ameona hitilafu katika muundo thabiti wa faini ambamo nguvu ya sumakuumeme, inayopimwa katika mwelekeo mmoja uliochaguliwa katika ulimwengu, inaonekana kuwa tofauti kidogo kila wakati.

"" anafafanua Webb. Utofauti huo haukuonekana katika vipimo vya timu ya Australia, lakini katika kulinganisha matokeo yao na vipimo vingine vingi vya mwanga wa quasar na wanasayansi wengine.

"" anasema Profesa Webb. "". Kwa maoni yake, matokeo yanaonekana kupendekeza kwamba kunaweza kuwa na mwelekeo unaopendekezwa katika ulimwengu. Kwa maneno mengine, ulimwengu kwa maana fulani ungekuwa na muundo wa dipole.

"" Anasema mwanasayansi kuhusu hitilafu zilizowekwa alama.

Hili ni jambo moja zaidi: badala ya kile kilichofikiriwa kuwa kuenea kwa nasibu kwa galaksi, quasars, mawingu ya gesi na sayari zenye uhai, ulimwengu ghafla una mwenzake wa kaskazini na kusini. Profesa Webb hata hivyo yuko tayari kukiri kwamba matokeo ya vipimo vya wanasayansi vilivyofanywa katika hatua tofauti kwa kutumia teknolojia tofauti na kutoka sehemu mbalimbali za Dunia kwa kweli ni sadfa kubwa.

Webb anadokeza kwamba ikiwa kuna mwelekeo katika ulimwengu, na ikiwa sumaku-umeme itageuka kuwa tofauti kidogo katika maeneo fulani ya ulimwengu, dhana za msingi zaidi nyuma ya sehemu kubwa ya fizikia ya kisasa zitahitaji kuangaliwa upya. "", anaongea. Mfano huo unatokana na nadharia ya Einstein ya mvuto, ambayo inakubali kwa uwazi uthabiti wa sheria za asili. Na ikiwa sivyo, basi ... wazo la kugeuza jengo zima la fizikia ni la kupendeza.