Nieuwe natuurkunde schijnt op veel plaatsen door

Alle mogelijke veranderingen die we zouden willen aanbrengen in het standaardmodel van de fysica (1) of de algemene relativiteitstheorie, onze twee beste (hoewel onverenigbare) theorieën over het universum, zijn al zeer beperkt. Met andere woorden, je kunt niet veel veranderen zonder het geheel te ondermijnen.

Er zijn namelijk ook resultaten en fenomenen die niet verklaard kunnen worden op basis van de ons bekende modellen. Dus moeten we ons uiterste best doen om alles tegen elke prijs onverklaarbaar of inconsistent te maken met bestaande theorieën, of moeten we op zoek naar nieuwe? Dit is een van de fundamentele vragen van de moderne natuurkunde.

Het standaardmodel van deeltjesfysica heeft met succes alle bekende en ontdekte interacties tussen deeltjes die ooit zijn waargenomen, verklaard. Het universum bestaat uit quarks, leptonov en ijkbosonen, die drie van de vier fundamentele krachten in de natuur overbrengen en deeltjes hun rustmassa geven. Er is ook de algemene relativiteitstheorie, onze, helaas, geen kwantumtheorie van de zwaartekracht, die de relatie beschrijft tussen ruimte-tijd, materie en energie in het universum.

De moeilijkheid om verder te gaan dan deze twee theorieën is dat als je ze probeert te veranderen door nieuwe elementen, concepten en hoeveelheden te introduceren, je resultaten zult krijgen die in tegenspraak zijn met de metingen en waarnemingen die we al hebben. Het is ook de moeite waard om te onthouden dat als je verder wilt gaan dan ons huidige wetenschappelijke kader, de bewijslast enorm is. Aan de andere kant is het moeilijk om niet zoveel te verwachten van iemand die modellen ondermijnt die al decennia lang beproefd en getest zijn.

In het licht van dergelijke eisen is het niet verwonderlijk dat bijna niemand probeert het bestaande paradigma in de natuurkunde volledig uit te dagen. En als dat zo is, wordt het helemaal niet serieus genomen, want het struikelt al snel over simpele controles. Dus als we potentiële gaten zien, dan zijn dit slechts reflectoren, die aangeven dat er ergens iets schijnt, maar het is niet duidelijk of het de moeite waard is om daarheen te gaan.

Bekende fysica kan het universum niet aan

Voorbeelden van de glinstering van dit "volledig nieuw en anders"? Welnu, bijvoorbeeld waarnemingen van de terugslagsnelheid, die in strijd lijken te zijn met de bewering dat het universum alleen gevuld is met deeltjes van het standaardmodel en gehoorzaamt aan de algemene relativiteitstheorie. We weten dat individuele bronnen van zwaartekracht, sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en zelfs het grote kosmische web misschien niet voldoende zijn om dit fenomeen te verklaren. We weten dat, hoewel het standaardmodel stelt dat materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden moeten worden gecreëerd en vernietigd, we in een universum leven dat voornamelijk bestaat uit materie met een kleine hoeveelheid antimaterie. Met andere woorden, we zien dat "bekende fysica" niet alles kan verklaren wat we in het universum zien.

Veel experimenten hebben onverwachte resultaten opgeleverd die, indien getest op een hoger niveau, revolutionair zouden kunnen zijn. Zelfs de zogenaamde atoomafwijking die het bestaan ​​van deeltjes aangeeft, kan een experimentele fout zijn, maar het kan ook een teken zijn dat we verder gaan dan het standaardmodel. Verschillende methoden voor het meten van het universum geven verschillende waarden voor de snelheid van zijn expansie - een probleem dat we in detail hebben besproken in een van de recente uitgaven van MT.

Geen van deze anomalieën geeft echter voldoende overtuigende resultaten om als een onbetwistbaar teken van nieuwe fysica te worden beschouwd. Een van deze of al deze kunnen eenvoudigweg statistische fluctuaties zijn of een onjuist gekalibreerd instrument. Velen van hen kunnen wijzen op nieuwe fysica, maar ze kunnen net zo goed worden verklaard met behulp van bekende deeltjes en verschijnselen in de context van de algemene relativiteitstheorie en het standaardmodel.

We zijn van plan om te experimenteren, in de hoop op duidelijkere resultaten en aanbevelingen. We kunnen binnenkort zien of donkere energie een constante waarde heeft. Gebaseerd op geplande melkwegonderzoeken door het Vera Rubin Observatorium en gegevens over verre supernova's die in de toekomst beschikbaar zullen komen. nancy genade telescoop, voorheen EERSTE, moeten we uitzoeken of donkere energie met de tijd evolueert tot binnen 1%. Als dat zo is, dan zal ons "standaard" kosmologische model moeten worden gewijzigd. Mogelijk dat de space laser interferometer antenne (LISA) qua plan ook voor verrassingen gaat zorgen. Kortom, we rekenen op de observatievoertuigen en experimenten die we plannen.

We werken ook nog steeds op het gebied van deeltjesfysica, in de hoop fenomenen buiten het model te vinden, zoals een nauwkeurigere meting van de magnetische momenten van het elektron en het muon - als ze het niet eens zijn, verschijnt nieuwe fysica. We werken eraan om erachter te komen hoe ze fluctueren neutrino – ook hier schijnt nieuwe fysica door. En als we een nauwkeurige elektron-positronversneller bouwen, cirkelvormig of lineair (2), kunnen we dingen detecteren die verder gaan dan het standaardmodel en die de LHC nog niet kan detecteren. In de wereld van de natuurkunde wordt al lang een grotere versie van de LHC met een omtrek tot 100 km voorgesteld. Dit zou hogere botsingsenergieën geven, die volgens veel natuurkundigen uiteindelijk nieuwe verschijnselen zouden signaleren. Dit is echter een extreem dure investering, en de constructie van een reus alleen volgens het principe - "laten we het bouwen en kijken wat het ons zal laten zien" roept veel twijfels op.

2. Lineaire lepton-botser - visualisatie

Er zijn twee soorten benaderingen van problemen in de natuurkunde. De eerste is een complexe benadering, die bestaat uit het eng ontwerp van een experiment of een observatorium voor het oplossen van een specifiek probleem. De tweede benadering wordt de brute force-methode genoemd.die een universeel, grensverleggend experiment of observatorium ontwikkelt om het universum op een geheel nieuwe manier te verkennen dan onze eerdere benaderingen. De eerste is beter georiënteerd in het Standaardmodel. Met de tweede kun je sporen van iets meer vinden, maar helaas is dit iets niet precies gedefinieerd. Beide methoden hebben dus hun nadelen.

Zoek naar de zogenaamde Theory of Everything (TUT), de heilige graal van de natuurkunde, moet in de tweede categorie worden geplaatst, aangezien het er vaker op neer komt om steeds hogere energieën te vinden (3), waarbij de krachten van de natuur gaat uiteindelijk samen in één interactie.

3. Energieën die nodig zijn voor een hypothetische eenwording van interacties

Nisforn-neutrino

De laatste tijd is de wetenschap steeds meer gefocust op interessantere gebieden, zoals neutrino-onderzoek, waarover we onlangs een uitgebreid rapport in MT hebben gepubliceerd. In februari 2020 publiceerde het Astrophysical Journal een publicatie over de ontdekking van hoogenergetische neutrino's van onbekende oorsprong op Antarctica. Naast het bekende experiment werd er onder de codenaam ANITA () ook onderzoek gedaan op het ijzige continent, bestaande uit het loslaten van een ballon met een sensor Radio golven.

Beide en ANITA zijn ontworpen om te zoeken naar radiogolven van hoogenergetische neutrino's die botsen met de vaste materie waaruit ijs bestaat. Avi Loeb, voorzitter van het Harvard Department of Astronomy, legt op de Salon-website uit: "De gebeurtenissen die door ANITA zijn gedetecteerd, lijken zeker een anomalie, omdat ze niet kunnen worden verklaard als neutrino's uit astrofysische bronnen. (...) Het zou een soort deeltje kunnen zijn dat zwakker dan een neutrino interageert met gewone materie. We vermoeden dat zulke deeltjes bestaan ​​als donkere materie. Maar wat maakt ANITA events zo energiek?”

Neutrino's zijn de enige bekende deeltjes die het standaardmodel schenden. Volgens het standaardmodel van elementaire deeltjes moeten we drie soorten neutrino's hebben (elektronisch, muon en tau) en drie soorten antineutrino's, en na hun vorming moeten ze stabiel en onveranderd in hun eigenschappen zijn. Sinds de jaren zestig, toen de eerste berekeningen en metingen van door de zon geproduceerde neutrino's verschenen, realiseerden we ons dat er een probleem was. We wisten hoeveel elektronenneutrino's werden gevormd in zonne kern. Maar toen we maten hoeveel er arriveerden, zagen we slechts een derde van het voorspelde aantal.

Of er is iets mis met onze detectoren, of er is iets mis met ons model van de zon, of er is iets mis met de neutrino's zelf. Reactorexperimenten weerlegden al snel het idee dat er iets mis was met onze detectoren (4). Ze werkten zoals verwacht en hun prestaties werden zeer goed beoordeeld. De gedetecteerde neutrino's werden geregistreerd in verhouding tot het aantal aankomende neutrino's. Decennia lang hebben veel astronomen beweerd dat ons zonnemodel niet klopt.

4. Afbeeldingen van neutrino-gebeurtenissen in Cherenkov-straling van de Super Kamiokande-detector

Natuurlijk was er nog een andere exotische mogelijkheid die, indien waar, ons begrip van het universum zou veranderen ten opzichte van wat het standaardmodel voorspelde. Het idee is dat de drie soorten neutrino's die we kennen eigenlijk massa hebben, niet vleesloze, en dat ze kunnen mixen (fluctueren) om van smaak te veranderen als ze genoeg energie hebben. Als het neutrino elektronisch wordt geactiveerd, kan het gaandeweg veranderen in muon i taonovmaar dit is alleen mogelijk als het massa heeft. Wetenschappers maken zich zorgen over het probleem van rechts- en linkshandige neutrino's. Want als je het niet kunt onderscheiden, kun je ook niet onderscheiden of het een deeltje of een antideeltje is.

Kan een neutrino zijn eigen antideeltje zijn? Niet volgens het gebruikelijke Standaard Model. Fermionenin het algemeen zouden ze niet hun eigen antideeltjes moeten zijn. Een fermion is elk deeltje met een rotatie van ± XNUMX/XNUMX. Deze categorie omvat alle quarks en leptonen, inclusief neutrino's. Er is echter een speciaal type fermionen, dat tot nu toe alleen in theorie bestaat - het Majorana-fermion, dat zijn eigen antideeltje is. Als het bestond, zou er iets bijzonders kunnen gebeuren... neutrino vrij dubbel bètaverval. En hier is een kans voor onderzoekers die al lang op zoek zijn naar zo'n gat.

In alle waargenomen processen waarbij neutrino's betrokken zijn, vertonen deze deeltjes een eigenschap die natuurkundigen linkshandigheid noemen. Rechtshandige neutrino's, de meest natuurlijke uitbreiding van het standaardmodel, zijn nergens te bekennen. Alle andere MS-deeltjes hebben een rechtshandige versie, maar neutrino's niet. Waarom? De nieuwste, uiterst uitgebreide analyse door een internationaal team van natuurkundigen, waaronder het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau, heeft onderzoek gedaan naar dit probleem. Wetenschappers geloven dat het gebrek aan observatie van rechtshandige neutrino's zou kunnen bewijzen dat het Majorana-fermionen zijn. Als dat zo was, dan is hun rechtse versie extreem groot, wat de moeilijkheid van detectie verklaart.

Toch weten we nog steeds niet of neutrino's zelf antideeltjes zijn. We weten niet of ze hun massa krijgen van de zeer zwakke binding van het Higgs-deeltje, of dat ze het via een ander mechanisme krijgen. En we weten het niet, misschien is de neutrinosector een stuk complexer dan we denken, met steriele of zware neutrino's die in het donker op de loer liggen.

Atomen en andere anomalieën

In de elementaire deeltjesfysica zijn er, naast de modieuze neutrino's, andere, minder bekende onderzoeksgebieden van waaruit 'nieuwe fysica' kan doorschijnen. Wetenschappers hebben bijvoorbeeld onlangs een nieuw type subatomair deeltje voorgesteld om de raadselachtige desintegratie als (5), een speciaal geval van een mesondeeltje bestaande uit een quark i een antiquair. Wanneer kaondeeltjes vervallen, ondergaat een klein deel ervan veranderingen die wetenschappers verrasten. De stijl van dit verval kan wijzen op een nieuw type deeltje of een nieuwe fysieke kracht aan het werk. Dit valt buiten de scope van het Standaardmodel.

Er zijn meer experimenten om hiaten in het standaardmodel te vinden. Deze omvatten de zoektocht naar het g-2-muon. Bijna honderd jaar geleden voorspelde natuurkundige Paul Dirac het magnetische moment van een elektron met behulp van g, een getal dat de spin-eigenschappen van een deeltje bepaalt. Toen toonden metingen aan dat "g" iets anders is dan 2, en natuurkundigen begonnen het verschil tussen de werkelijke waarde van "g" en 2 te gebruiken om de interne structuur van subatomaire deeltjes en de wetten van de fysica in het algemeen te bestuderen. In 1959 voerde CERN in Genève, Zwitserland, het eerste experiment uit waarbij de g-2-waarde werd gemeten van een subatomair deeltje genaamd muon, gebonden aan een elektron maar onstabiel en 207 keer zwaarder dan een elementair deeltje.

Brookhaven National Laboratory in New York begon zijn eigen experiment en publiceerde de resultaten van hun g-2-experiment in 2004. De meting was niet wat het standaardmodel voorspelde. Het experiment verzamelde echter niet genoeg gegevens voor statistische analyse om overtuigend te bewijzen dat de gemeten waarde inderdaad anders was en niet alleen een statistische fluctuatie. Andere onderzoekscentra doen nu nieuwe experimenten met g-2 en de resultaten zullen we waarschijnlijk binnenkort kennen.

Er is iets intrigerender dan dit Kaon anomalieën i muon. In 2015 vertoonde een experiment met het verval van beryllium 8Be een anomalie. Wetenschappers in Hongarije gebruiken hun detector. Ze ontdekten of dachten echter ontdekt te hebben, wat het bestaan ​​van een vijfde fundamentele natuurkracht suggereert.

Natuurkundigen van de Universiteit van Californië raakten geïnteresseerd in het onderzoek. Ze suggereerden dat het fenomeen genaamd atomaire anomalie, werd veroorzaakt door een geheel nieuw deeltje, dat verondersteld werd de vijfde natuurkracht te dragen. Het wordt X17 genoemd omdat men denkt dat de bijbehorende massa bijna 17 miljoen elektronvolt is. Dit is 30 keer de massa van een elektron, maar minder dan de massa van een proton. En de manier waarop X17 zich gedraagt ​​met een proton is een van zijn vreemdste kenmerken - dat wil zeggen, het heeft helemaal geen interactie met een proton. In plaats daarvan interageert het met een negatief geladen elektron of neutron, dat helemaal geen lading heeft. Dit maakt het moeilijk om het X17-deeltje in ons huidige standaardmodel te passen. Bosonen worden geassocieerd met krachten. Gluonen worden geassocieerd met de sterke kracht, bosonen met de zwakke kracht en fotonen met elektromagnetisme. Er is zelfs een hypothetisch deeltje voor zwaartekracht dat graviton wordt genoemd. Als boson zal X17 een eigen kracht dragen, zoals die tot nu toe een mysterie voor ons is gebleven en zou kunnen zijn.

Het universum en zijn voorkeursrichting?

In een artikel dat in april in het tijdschrift Science Advances werd gepubliceerd, rapporteerden wetenschappers van de Universiteit van New South Wales in Sydney dat nieuwe metingen van licht uitgezonden door een quasar op 13 miljard lichtjaar afstand eerdere studies bevestigen die kleine variaties in de fijne constante structuur vonden. van het universum. Professor John Webb van UNSW (6) legt uit dat de fijne structuurconstante 'een grootheid is die natuurkundigen gebruiken als een maat voor de elektromagnetische kracht'. elektromagnetische kracht houdt elektronen rond de kernen in elk atoom in het universum. Zonder dat zou alle materie uit elkaar vallen. Tot voor kort werd het beschouwd als een constante kracht in tijd en ruimte. Maar in zijn onderzoek van de afgelopen twee decennia heeft professor Webb een anomalie opgemerkt in de solide fijne structuur waarin de elektromagnetische kracht, gemeten in een gekozen richting in het universum, altijd iets anders lijkt te zijn.

"" legt Webb uit. De inconsistenties kwamen niet naar voren in de metingen van het Australische team, maar bij het vergelijken van hun resultaten met vele andere metingen van quasarlicht door andere wetenschappers.

"" zegt professor Webb. "". Naar zijn mening lijken de resultaten te suggereren dat er een voorkeursrichting in het universum is. Met andere woorden, het universum zou in zekere zin een dipoolstructuur hebben.

"" Zegt de wetenschapper over de opvallende anomalieën.

Dit is nog een ding: in plaats van wat werd gedacht als een willekeurige verspreiding van sterrenstelsels, quasars, gaswolken en planeten met leven, heeft het universum plotseling een noordelijke en zuidelijke tegenhanger. Professor Webb is niettemin bereid toe te geven dat de resultaten van metingen door wetenschappers die in verschillende stadia met verschillende technologieën en vanaf verschillende plaatsen op aarde zijn uitgevoerd, in feite een enorm toeval zijn.

Webb wijst erop dat als er directionaliteit in het universum is en als elektromagnetisme in bepaalde delen van de kosmos iets anders blijkt te zijn, de meest fundamentele concepten achter veel van de moderne natuurkunde opnieuw moeten worden bekeken. "", spreekt. Het model is gebaseerd op de zwaartekrachttheorie van Einstein, die expliciet uitgaat van de constantheid van de natuurwetten. En zo niet, dan... is de gedachte om het hele bouwwerk van de natuurkunde om te draaien adembenemend.