Yeni fizik birçok yerden parlıyor

Evrenle ilgili (uyumsuz olsa da) en iyi iki teorimiz olan Standart Fizik Modeline (1) veya genel göreliliğe yapmak isteyebileceğimiz olası değişiklikler zaten çok sınırlıdır. Başka bir deyişle bütünü baltalamadan pek çok şeyi değiştiremezsiniz.

Gerçek şu ki, bildiğimiz modellere dayanarak açıklanamayacak sonuçlar ve olgular da var. Öyleyse ne pahasına olursa olsun açıklanamayan veya mevcut teorilere uymayan her şeyi yapmak için elimizden geleni mi yapmalıyız, yoksa yenilerini mi aramalıyız? Bu, modern fiziğin temel sorularından biridir.

Parçacık fiziğinin Standart Modeli, şimdiye kadar gözlemlenen parçacıklar arasındaki bilinen ve keşfedilen her etkileşimi başarıyla açıkladı. Evren şunlardan oluşur: kuarklar, leptonov ve doğadaki dört temel kuvvetten üçünü ileten ve parçacıklara durgun kütle veren ayar bozonları. Bir de Evren'deki uzay-zaman, madde ve enerji arasındaki ilişkiyi açıklayan, ne yazık ki kuantum olmayan çekim teorimiz olan genel görelilik var.

Bu iki teorinin ötesine geçmenin zorluğu, yeni unsurlar, kavramlar ve nicelikler ekleyerek bunları değiştirmeye çalışırsanız, halihazırda sahip olduğumuz ölçüm ve gözlemlerle çelişen sonuçlar elde etmenizdir. Şunu da hatırlamakta fayda var ki, eğer mevcut bilimsel çerçevemizin ötesine geçmek istiyorsanız, ispat yükünün çok büyük olduğunu göreceksiniz. Öte yandan onlarca yıldır ayakta kalan denenmiş ve doğrulanmış modelleri baltalayan birinden bu kadar fazlasını beklememek zor.

Bu tür talepler karşısında, neredeyse hiç kimsenin fizikteki mevcut paradigmaya tamamen meydan okumaya kalkışmaması şaşırtıcı değil. Ve eğer gerçekleşirse, basit kontrollerde hızla tökezlediği için hiç ciddiye alınmıyor. Yani potansiyel delikler görürsek, bunlar sadece bir yerlerde bir şeyin parladığını gösteren reflektörlerdir, ancak oraya gitmeye değip değmeyeceği de net değildir.

Ünlü fizik evrenle baş edemiyor

Bu “tamamen yeni ve farklı”nın ışıltısına örnekler? Örneğin, evrenin yalnızca Standart Model parçacıklarıyla dolu olduğu ve genel göreliliğe uyduğu ifadesiyle tutarsız görünen geri tepme hızı gözlemleri. Bireysel yerçekimi kaynaklarının, galaksilerin, galaksi kümelerinin ve hatta büyük kozmik ağın bu fenomeni açıklamak için yeterli olmadığını biliyoruz. Standart Model'e göre madde ve antimaddenin eşit miktarlarda yaratılıp yok edilmesi gerektiği halde, çoğunlukla madde ve az miktarda antimaddeden oluşan bir Evrende yaşadığımızı biliyoruz. Yani “bilinen fizik”in Evrende gördüğümüz her şeyi açıklayamayacağını görüyoruz.

Pek çok deney, daha yüksek bir düzeyde test edilirse devrim niteliğinde olabilecek beklenmedik sonuçlar verdi. Parçacıkların varlığını gösteren sözde Atomik Anomali bile deneysel bir hata olabilir, ancak aynı zamanda Standart Modelin ötesine geçmenin bir işareti de olabilir. Evreni ölçmenin farklı yöntemleri, genişleme hızı için farklı değerler veriyor; bu, MT'nin yakın tarihli bir sayısında ayrıntılı olarak incelediğimiz bir sorun.

Ancak bu anormalliklerin hiçbiri, yeni fiziğin tartışılmaz bir işareti olarak kabul edilecek kadar ikna edici sonuçlar vermiyor. Bunların herhangi biri veya tümü istatistiksel dalgalanmalar veya yanlış kalibre edilmiş bir cihaz olabilir. Bunların çoğu yeni fiziğe işaret ediyor olabilir, ancak genel görelilik ve Standart Model bağlamında bilinen parçacıklar ve olaylar kullanılarak da kolaylıkla açıklanabilirler.

Daha net sonuçlar ve öneriler almayı umarak denemeler yapmayı planlıyoruz. Karanlık enerjinin sabit bir değere sahip olup olmadığını yakında görebiliriz. Vera Rubin Gözlemevi tarafından yürütülen planlanan galaksi araştırmalarına ve gelecekte sağlanacak uzak süpernovalara ilişkin verilere dayanmaktadır. Nancy Grace teleskopuEski adı WFIRST olan karanlık enerjinin zamanla %1'e kadar evrimleşip gelişmediğini bulmamız gerekiyor. Eğer bu doğruysa, o zaman “standart” kozmolojik modelimizin değişmesi gerekecek. Planda yer alan Lazer İnterferometre Uzay Anteninin (LISA) da bizlere sürprizler yaşatması muhtemel. Kısacası planladığımız gözlem cihazlarına ve deneylere güveniyoruz.

Ayrıca, elektron ve müon'un manyetik momentlerinin daha kesin ölçümleri gibi Modelin ötesinde fenomenler bulmayı umarak hâlâ parçacık fiziği üzerinde çalışıyoruz; eğer bunlar uyuşmuyorsa, yeni fizik ortaya çıkar. Nasıl dalgalandıklarını bulmaya çalışıyoruz nötrino – burada da yeni fizik parlıyor. Ve eğer dairesel veya doğrusal (2) doğru bir elektron-pozitron çarpıştırıcısı inşa edersek, Standart Modelin ötesinde, LHC'nin henüz tespit edemediği şeyleri tespit edebileceğiz. Fizik dünyasında, LHC'nin çevresi 100 km'ye kadar olan daha büyük bir versiyonu uzun süredir öneriliyor. Bu, birçok fizikçiye göre sonunda yeni fenomenlerin sinyalini verecek olan daha yüksek çarpışma enerjileri üretecektir. Ancak bu son derece pahalı bir yatırım ve sadece “inşa edelim ve bakalım bize ne gösterecek” ilkesiyle bir dev inşa etmek birçok şüphe uyandırıyor.

2. Doğrusal lepton çarpıştırıcısı - görselleştirme

Fizik biliminde problemlere iki tür yaklaşım vardır. Birincisi karmaşık bir yaklaşımdırBelirli bir sorunu çözmek için bir deneyin veya gözlemevinin dar tasarımından oluşan. İkinci yaklaşıma kaba kuvvet yöntemi denir.Evreni önceki yaklaşımlarımızdan tamamen yeni bir şekilde keşfetmek için çok yönlü, sınırları zorlayan bir deney veya gözlemevi tasarlayan. İlki Standart Model konusunda daha bilgilidir. İkincisi daha büyük bir şeyin izlerini bulmanızı sağlar ancak ne yazık ki bu şey tam olarak tanımlanmamıştır. Dolayısıyla her iki yöntemin de dezavantajları bulunmaktadır.

Sözde olanı arayın İkinci kategori, fiziğin kutsal kasesi olan Her Şeyin Teorisi'ni (THO) içermelidir, çünkü çoğu zaman bu, doğa güçlerinin sonuçta birleştiği daha büyük enerjilerin (3) arayışına gelir. tek bir etkileşime dönüştürür.

3. Etkileşimlerin varsayımsal birleşmesi için gereken enerjiler

nötrin Nisforna

Son zamanlarda bilim, yakın zamanda MT'de kapsamlı bir rapor yayınladığımız nötrino araştırması gibi daha ilginç alanlara daha fazla odaklanmaya başladı. Şubat 2020'de Astrophysical Journal, Antarktika'da kökeni bilinmeyen yüksek enerjili nötrinoların keşfi hakkında bir yayın yayınladı. İyi bilinen deneye ek olarak, donmuş kıtada ANITA () kod adı altında, sensörlü bir balonun serbest bırakılmasından oluşan araştırmalar da gerçekleştirildi. Radyo dalgaları.

Hem ANITA hem de buzu oluşturan katı maddeyle çarpışan yüksek enerjili nötrinolardan gelen radyo dalgalarını aramak için tasarlandı. Harvard Astronomi Bölümü başkanı Avi Loeb, Salon web sitesinde şunları açıkladı: "ANITA tarafından tespit edilen olaylar kesinlikle bir anormallik gibi görünüyor çünkü bunlar astrofizik kaynaklardan gelen nötrinolar olarak açıklanamıyor. (...) Nötrinodan daha zayıf sıradan maddeyle etkileşime giren bir tür parçacık olabilir. Bu tür parçacıkların karanlık madde olarak var olduğundan şüpheleniyoruz. Peki ANITA etkinliklerini bu kadar enerjik kılan şey nedir?

Nötrinolar Standart Modeli ihlal ettiği bilinen tek parçacıktır. Temel parçacıkların Standart Modeline göre, üç tür nötrinoya (elektron, müon ve tau) ve üç tür antinötrinoya sahip olmalıyız ve bunlar oluştuktan sonra kararlı ve özellikleri değişmemiş olmalıdır. 60'lı yıllardan itibaren Güneş'in ürettiği nötrinolara ilişkin ilk hesaplamalar ve ölçümler ortaya çıktığında bir sorun olduğunu anladık. Kaç tane elektron nötrinosunun üretildiğini biliyorduk. güneş çekirdeği. Ancak kaç kişinin geldiğini ölçtüğümüzde tahmin edilenin yalnızca üçte birini gördük.

Ya dedektörlerimizde bir sorun var, ya Güneş modelimizde bir sorun var, ya da nötrinoların kendisinde bir sorun var. Reaktör deneyleri, dedektörlerimizde bir sorun olduğu fikrini hızla ortadan kaldırdı (4). Beklendiği gibi performans gösterdiler ve performansları çok iyi değerlendirildi. Tespit ettiğimiz nötrinolar, gelen nötrino sayısıyla orantılı olarak kaydedildi. Onlarca yıldır birçok gökbilimci güneş modelimizin yanlış olduğunu savundu.

4. Süper Kamiokande dedektöründen alınan Çerenkov radyasyonundaki nötrino olaylarının görüntüleri

Elbette, eğer doğruysa, evrene dair anlayışımızı Standart Model'in öngördüğünden farklılaştıracak başka bir egzotik olasılık daha vardı. Buradaki fikir, bildiğimiz üç tip nötrinoların aslında kütleye sahip olduğudur. eğilmekve eğer yeterli enerjiye sahiplerse tatları değiştirmek için karışabilirler (salınabilirler). Bir nötrino elektronik olarak fırlatılırsa, yolunda değişebilir. müon i taonlarancak bu ancak kütlesi olduğunda mümkündür. Bilim adamları, nötrinoların sağ ve sol elli olması sorunuyla ilgileniyorlar. Çünkü onu ayırt edemezseniz, onun parçacık mı yoksa antiparçacık mı olduğunu ayırt edemezsiniz.

Bir nötrino kendi antiparçacığı olabilir mi? Normal Standart Modele göre değil. Fermiyongenel durumda kendi antiparçacıkları olmamalıdırlar. Bir fermiyon, ± ½ dönüşe sahip herhangi bir parçacıktır. Bu kategori, nötrinolar dahil tüm kuarkları ve leptonları içerir. Bununla birlikte, şu ana kadar yalnızca teoride var olan özel bir fermiyon türü vardır: kendi antiparçacığı olan Majorana fermiyonu. Eğer olsaydı, özel bir şey olabilirdi... nötrino içermez çift ​​beta bozunması. Ve işte uzun zamandır böyle bir boşluk arayan deneyciler için bir şans.

Nötrinoları içeren gözlemlenen tüm süreçlerde, bu parçacıklar fizikçilerin solaklık adını verdiği bir özellik sergiliyor. Standart Modelin en doğal uzantısı olan sağ-elli nötrinolar hiçbir yerde görülemiyor. Diğer tüm MS parçacıklarının sağ elini kullanan bir versiyonu vardır, ancak nötrinolarda yoktur. Neden? Aralarında Krakow'daki Polonya Bilimler Akademisi Nükleer Fizik Enstitüsü'nün (IFJ PAN) de bulunduğu uluslararası bir fizikçi ekibi tarafından yapılan en son ve son derece kapsamlı analiz, bu konu üzerinde araştırmalar yürüttü. Bilim adamları, sağ elini kullanan nötrinoları gözlemlemedeki başarısızlığın, onların Majorana fermiyonları olduklarını kanıtlayabileceğine inanıyor. Eğer olsaydı, sağdaki versiyon son derece büyüktü ve bu da tespit edilmesinin zorluğunu açıklardı.

Ancak nötrinoların antiparçacık olup olmadığını hâlâ bilmiyoruz. Kütlelerini Higgs bozonunun çok zayıf eşleşmesinden mi yoksa başka bir mekanizmadan mı aldıklarını bilmiyoruz. Ve bilmiyoruz, belki de nötrino sektörü düşündüğümüzden çok daha karmaşıktır; kısır veya ağır nötrinolar karanlıkta gizlenmektedir.

Atomlar ve diğer anomaliler

Parçacık fiziğinde, son moda nötrinoların yanı sıra, "yeni fizik"in öne çıkabileceği, daha az bilinen başka araştırma alanları da var. Örneğin bilim insanları yakın zamanda gizemli bu olayı açıklamak için yeni bir tür atom altı parçacık önerdiler. kaon bozunması (5), aşağıdakilerden oluşan bir mezon parçacığının özel bir durumu bir kuark i bir antika satıcısı. Kaon parçacıkları bozunurken küçük bir kısmı bilim adamlarını şaşırtan değişikliklere uğrar. Bu bozunmanın tarzı, yeni bir tür parçacığın veya yeni bir fiziksel gücün iş başında olduğunu gösterebilir. Bu, Standart Modelin ötesine geçmektedir.

Standart Modeldeki boşlukları bulmak için daha fazla deney var. Bunlara g-2 müonunun araştırılması da dahildir. Neredeyse bir asır önce fizikçi Paul Dirac, bir parçacığın dönüş özelliklerini belirleyen bir sayı olan g'yi kullanarak bir elektronun manyetik momentini tahmin etmişti. Daha sonra ölçümler "g"nin 2'den biraz farklı olduğunu gösterdi ve fizikçiler, atom altı parçacıkların iç yapısını ve genel olarak fizik yasalarını incelemek için "g"nin gerçek değeri ile 2 arasındaki farkı kullanmaya başladılar. 1959'da İsviçre'nin Cenevre kentindeki CERN, müon adı verilen, bir elektronla ilişkili fakat kararsız ve 2 kat daha ağır bir temel parçacık olan atom altı bir parçacığın g-207 değerini ölçmek için ilk deneyi gerçekleştirdi.

New York'taki Brookhaven Ulusal Laboratuvarı kendi deneyini başlattı ve 2 yılında g-2004 deneyinin sonuçlarını yayınladı. Ölçüm, Standart Modelin öngördüğü gibi değildi. Ancak deney, ölçülen değerin gerçekten farklı olduğunu ve yalnızca istatistiksel bir dalgalanma olmadığını kesin olarak kanıtlayacak istatistiksel analiz için yeterli veri toplamadı. Diğer araştırma merkezleri şu anda g-2 ile yeni deneyler yürütüyor ve sonuçları muhtemelen yakında öğreneceğiz.

Bundan daha ilgi çekici bir şey var Kaonovo anomalileri i müon. 2015 yılında berilyum 8Be'nin bozunması üzerine yapılan bir deney bir anormallik gösterdi. Macaristan'daki bilim insanları dedektörlerini kullanıyor. Ancak bu arada onlar, doğanın beşinci temel kuvvetinin varlığını ortaya koyuyorlar ya da keşfettiklerini sanıyorlar.

Kaliforniya Üniversitesi'ndeki fizikçiler çalışmaya ilgi duymaya başladı. Bu fenomenin şöyle adlandırıldığını öne sürdüler: atom anomalisi, doğanın beşinci kuvvetini taşıdığı varsayılan tamamen yeni bir parçacıktan kaynaklandı. X17 olarak adlandırılmasının nedeni, kütlesinin yaklaşık 17 milyon elektron volt olduğu düşünülmesidir. Bu, bir elektronun kütlesinin 30 katıdır, ancak bir protonun kütlesinden daha azdır. Ve X17'nin bir protonla olan davranışı onun en tuhaf özelliklerinden biri; yani bir protonla hiçbir şekilde etkileşime girmiyor. Bunun yerine, hiçbir yükü olmayan negatif yüklü bir elektron veya nötronla etkileşime girer. Bu, X17 parçacığını mevcut Standart Modelimize yerleştirmeyi zorlaştırıyor. Bozonlar kuvvetlerle ilişkilidir. Gluonlar güçlü kuvvetle, bozonlar ve zayıf kuvvetle, fotonlar ise elektromanyetizmayla ilişkilendirilir. Hatta yerçekimi için graviton adı verilen varsayımsal bir bozon bile var. Bir bozon olarak X17, bizim için şimdiye kadar gizemini koruyan ve taşıyabilecek olan kendi kuvvetini taşıyacak.

Evren ve tercih ettiği yön?

Bu yıl Nisan ayında Science Advances dergisinde yayınlanan bir makalede, Sidney'deki New South Wales Üniversitesi'nden bilim adamları, 13 milyar ışıkyılı uzaklıktaki bir kuasar tarafından yayılan yeni ışık ölçümlerinin, sabitte küçük değişiklikler bulan önceki araştırmaları doğruladığını bildirdi. Evrenin ince yapısı. Profesör John Webb UNSW'den (6), ince yapı sabitinin "fizikçilerin elektromanyetik kuvvetin ölçüsü olarak kullandıkları bir miktar olduğunu" açıklıyor. Elektromanyetik güç evrendeki her atomun çekirdeğinin etrafında elektronları barındırır. O olmasaydı tüm maddeler parçalanırdı. Yakın zamana kadar zaman ve mekanda sabit bir kuvvet olduğu düşünülüyordu. Ancak son yirmi yıldaki araştırmasında Profesör Webb, katı ince yapıda, Evrende seçilen bir yönde ölçülen elektromanyetik kuvvetin her zaman biraz farklı göründüğü bir anormallik fark etti.

"" Webb açıklıyor. Tutarsızlıklar Avustralyalı ekibin ölçümlerinden değil, sonuçlarının diğer bilim adamlarının kuasar ışığına ilişkin birçok ölçümle karşılaştırılmasından kaynaklanıyordu.

"" diyor Profesör Webb. "". Ona göre sonuçlar, evrende tercih edilen bir yönün olabileceğini öne sürüyor gibi görünüyor. Başka bir deyişle, Evren bir bakıma dipol yapıya sahip olacaktır.

"" Bilim adamı belirtilen anormallikler hakkında konuşuyor.

Bu başka bir şey: Evrenin, galaksilerin, kuasarların, gaz bulutlarının ve yaşam içeren gezegenlerin rastgele yayılımı olduğu düşünülen şey yerine, birdenbire kuzey ve güney bir karşılığı var. Profesör Webb, bilim adamlarının farklı aşamalarda, farklı teknolojiler kullanarak ve dünyanın farklı yerlerinden yaptığı ölçümlerin sonuçlarının aslında büyük bir tesadüf olduğunu hâlâ kabul etmeye hazır.

Webb, eğer evrende yönlülük varsa ve elektromanyetizma kozmosun belirli bölgelerinde biraz farklı çıkarsa, modern fiziğin çoğunun altında yatan en temel kavramların yeniden gözden geçirilmesi gerekeceğine dikkat çekiyor. "", konuşuyor. Model, doğa yasalarının değişmezliğini açıkça varsayan Einstein'ın yerçekimi teorisine dayanmaktadır. Ve eğer değilse, o zaman... tüm fizik yapısını altüst etme düşüncesi nefes kesici.