Yangi fizika ko'p joylardan porlaydi

Biz fizikaning standart modeliga (1) yoki umumiy nisbiylik nazariyasiga kiritmoqchi bo'lgan har qanday o'zgarishlar, bizning koinot haqidagi ikkita eng yaxshi (garchi bir-biriga mos kelmasa ham) nazariyalarimiz juda cheklangan. Boshqacha qilib aytganda, siz butunni buzmasdan ko'p narsani o'zgartira olmaysiz.

Gap shundaki, bizga ma'lum bo'lgan modellar asosida tushuntirib bo'lmaydigan natijalar va hodisalar ham mavjud. Shunday ekan, biz hamma narsani tushunarsiz yoki nomuvofiq qilish uchun har qanday narxda mavjud nazariyalarga mos kelishimiz kerakmi yoki yangilarini izlashimiz kerakmi? Bu zamonaviy fizikaning asosiy savollaridan biridir.

Zarrachalar fizikasining standart modeli zarrachalar o'rtasidagi ilgari kuzatilgan barcha ma'lum va kashf etilgan o'zaro ta'sirlarni muvaffaqiyatli tushuntirib berdi. Koinot undan tashkil topgan kvarklar, leptonov va tabiatdagi to'rtta asosiy kuchdan uchtasini uzatuvchi va zarrachalarga tinch massasini beruvchi o'lchov bozonlari. Umumiy nisbiylik ham mavjud, bizning, afsuski, tortishishning kvant nazariyasi emas, u koinotdagi fazo-vaqt, materiya va energiya o'rtasidagi munosabatni tasvirlaydi.

Ushbu ikki nazariyadan tashqariga chiqishning qiyinligi shundaki, agar siz ularni yangi elementlar, tushunchalar va miqdorlarni kiritish orqali o'zgartirishga harakat qilsangiz, bizda mavjud bo'lgan o'lchov va kuzatishlarga zid bo'lgan natijalarga erishasiz. Shuni ham yodda tutish kerakki, agar siz bizning hozirgi ilmiy doiramizdan tashqariga chiqmoqchi bo'lsangiz, isbot yuki juda katta. Boshqa tomondan, o'nlab yillar davomida sinab ko'rilgan va sinovdan o'tgan modellarga putur etkazadigan odamdan juda ko'p narsani kutmaslik qiyin.

Bunday talablar oldida hech kim fizikadagi mavjud paradigmaga to'liq qarshilik ko'rsatishga harakat qilsa, ajablanarli emas. Va agar shunday bo'lsa, u umuman jiddiy qabul qilinmaydi, chunki u oddiy tekshiruvlarga tezda qoqiladi. Shunday qilib, agar biz potentsial teshiklarni ko'rsak, bu shunchaki reflektorlar bo'lib, biror joyda biror narsa porlayotganini bildiradi, ammo u erga borishga arziydimi yoki yo'qmi aniq emas.

Ma'lum fizika koinotni boshqara olmaydi

Ushbu "mutlaqo yangi va boshqacha" ning porlashiga misollar? Masalan, koinot faqat standart modelning zarralari bilan to'ldirilganligi va umumiy nisbiylik nazariyasiga bo'ysunishi haqidagi bayonotga zid bo'lib ko'rinadigan orqaga qaytish tezligini kuzatish. Biz bilamizki, tortishishning alohida manbalari, galaktikalar, galaktikalar klasterlari va hatto buyuk kosmik tarmoq ham bu hodisani tushuntirish uchun etarli emas. Biz bilamizki, standart model materiya va antimateriya teng miqdorda yaratilishi va yo'q qilinishi kerakligini ta'kidlagan bo'lsa-da, biz oz miqdordagi antimateriyaga ega bo'lgan asosan materiyadan tashkil topgan koinotda yashaymiz. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, "ma'lum fizika" biz koinotda ko'rgan hamma narsani tushuntirib bera olmasligini ko'ramiz.

Ko'pgina tajribalar kutilmagan natijalar berdi, agar yuqori darajada sinovdan o'tkazilsa, inqilobiy bo'lishi mumkin. Hatto zarrachalar mavjudligini ko'rsatadigan atom anomaliyasi ham eksperimental xato bo'lishi mumkin, ammo bu standart modeldan tashqariga chiqish belgisi bo'lishi mumkin. Koinotni o'lchashning turli usullari uning kengayish tezligi uchun turli xil qiymatlarni beradi - bu muammoni biz MTning so'nggi nashrlaridan birida batafsil ko'rib chiqdik.

Biroq, bu anomaliyalarning hech biri yangi fizikaning shubhasiz belgisi deb hisoblanishi uchun etarlicha ishonchli natijalarni bermaydi. Bularning har biri yoki barchasi oddiygina statistik tebranishlar yoki noto'g'ri kalibrlangan asbob bo'lishi mumkin. Ularning ko'pchiligi yangi fizikaga ishora qilishi mumkin, ammo ularni umumiy nisbiylik va standart model kontekstida ma'lum bo'lgan zarralar va hodisalar yordamida osongina tushuntirish mumkin.

Biz aniqroq natijalar va tavsiyalarga umid qilib, tajriba o'tkazishni rejalashtirmoqdamiz. Tez orada qorong'u energiya doimiy qiymatga ega yoki yo'qligini ko'rishimiz mumkin. Vera Rubin rasadxonasi tomonidan rejalashtirilgan galaktika tadqiqotlari va kelajakda taqdim etilishi kerak bo'lgan uzoq o'ta yangi yulduzlar haqidagi ma'lumotlarga asoslanadi. Nensi Greys teleskopi, ilgari WFIRST, biz qorong'u energiya vaqt o'tishi bilan 1% gacha rivojlanishini aniqlashimiz kerak. Agar shunday bo'lsa, bizning "standart" kosmologik modelimizni o'zgartirish kerak bo'ladi. Reja nuqtai nazaridan kosmik lazer interferometr antennasi (LISA) ham bizga kutilmagan hodisalar keltirishi mumkin. Muxtasar qilib aytganda, biz rejalashtirayotgan kuzatuv mashinalari va tajribalariga umid qilamiz.

Shuningdek, biz hali ham zarralar fizikasi sohasida ishlayapmiz, Modeldan tashqari hodisalarni topishga umid qilamiz, masalan, elektron va muonning magnit momentlarini aniqroq o'lchash - agar ular rozi bo'lmasa, yangi fizika paydo bo'ladi. Biz ularning qanday o'zgarishini aniqlash ustida ishlamoqdamiz neytrino - bu erda ham yangi fizika porlaydi. Va agar biz aylana yoki chiziqli (2) aniq elektron-pozitron kollayderini yaratsak, biz LHC hali aniqlay olmaydigan standart modeldan tashqari narsalarni aniqlay olamiz. Fizika olamida LHC ning aylanasi 100 km gacha bo'lgan kattaroq versiyasi uzoq vaqtdan beri taklif qilingan. Bu ko'plab fiziklarning fikriga ko'ra, yangi hodisalar haqida signal beradigan yuqori to'qnashuv energiyalarini beradi. Biroq, bu nihoyatda qimmat sarmoya bo‘lib, gigantning faqat “quramiz, ko‘ramiz, bizga nimani ko‘rsatishini” tamoyili bo‘yicha qurish ko‘plab shubhalarni uyg‘otadi.

2. Chiziqli lepton kollayderi - vizualizatsiya

Fizika fanida masalalarga yondashishning ikki turi mavjud. Birinchisi, kompleks yondashuv, bu ma'lum bir muammoni hal qilish uchun eksperiment yoki rasadxonaning tor dizaynidan iborat. Ikkinchi yondashuv qo'pol kuch usuli deb ataladi.koinotni bizning oldingi yondashuvlarimizdan ko'ra mutlaqo yangi usulda o'rganish uchun universal, chegarani bosuvchi eksperiment yoki rasadxonani ishlab chiqadigan. Birinchisi standart modelda yaxshiroq yo'naltirilgan. Ikkinchisi sizga ko'proq narsaning izlarini topishga imkon beradi, ammo, afsuski, bu narsa aniq belgilanmagan. Shunday qilib, ikkala usulning ham kamchiliklari bor.

Har bir narsa nazariyasi (TUT) deb ataladigan fizikani ikkinchi toifaga qo'yish kerak, chunki bu ko'pincha yuqori va yuqori energiyalarni (3) topishga to'g'ri keladi. tabiat oxir-oqibat bitta o'zaro ta'sirga birlashadi.

3. O'zaro ta'sirlarning faraziy birlashuvi uchun zarur bo'lgan energiyalar

Nisforn neytrino

So'nggi paytlarda ilm-fan neytrino tadqiqotlari kabi qiziqarli sohalarga tobora ko'proq e'tibor qaratmoqda, bu haqda biz yaqinda MT da keng ma'ruza qildik. 2020-yil fevral oyida Astrophysical Journal Antarktidada kelib chiqishi noma’lum bo‘lgan yuqori energiyali neytrinolarning topilgani haqidagi nashrni chop etdi. Mashhur eksperimentdan tashqari, sovuq qit'ada ANITA (kod nomi) ostida sensorli sharni chiqarishdan iborat bo'lgan tadqiqotlar ham olib borildi. radio to'lqinlar.

Ikkalasi ham, ANITA ham muzni tashkil etuvchi qattiq materiya bilan to'qnashgan yuqori energiyali neytrinolarning radio to'lqinlarini qidirish uchun mo'ljallangan. Garvard Astronomiya bo'limi raisi Avi Loeb Salon veb-saytida shunday dedi: "ANITA tomonidan aniqlangan hodisalar, albatta, anomaliyaga o'xshaydi, chunki ularni astrofizik manbalardan olingan neytrinolar sifatida tushuntirib bo'lmaydi. (...) Bu oddiy materiya bilan neytrinoga qaraganda kuchsizroq o'zaro ta'sir qiladigan zarracha turi bo'lishi mumkin. Biz bunday zarralar qorong'u materiya sifatida mavjudligiga shubha qilamiz. Lekin nima ANITA tadbirlarini bunchalik baquvvat qiladi?

Neytrinolar standart modelni buzadigan yagona ma'lum zarralardir. Elementar zarrachalarning standart modeliga ko'ra, bizda uchta turdagi neytrinolar (elektron, muon va tau) va uch turdagi antineytrinolar bo'lishi kerak va ular hosil bo'lgandan keyin ular barqaror va o'z xususiyatlariga ko'ra o'zgarmas bo'lishi kerak. 60-yillardan boshlab, Quyosh tomonidan ishlab chiqarilgan neytrinolarning birinchi hisob-kitoblari va o'lchovlari paydo bo'lganda, biz muammo borligini tushundik. Biz qancha elektron neytrino hosil bo'lganini bildik quyosh yadrosi. Ammo biz qancha kelganini o'lchaganimizda, biz bashorat qilingan sonning uchdan bir qismini ko'rdik.

Yoki bizning detektorlarimizda nimadir noto'g'ri, yoki bizning Quyosh modelimizda yoki neytrinolarning o'zida nimadir noto'g'ri. Reaktor tajribalari bizning detektorlarimizda biror narsa noto'g'ri ekanligi haqidagi tushunchani tezda rad etdi (4). Ular kutilganidek ishlashdi va ularning ishlashi juda yaxshi baholandi. Biz aniqlagan neytrinolar kelgan neytrinolar soniga mutanosib ravishda qayd etilgan. O'nlab yillar davomida ko'plab astronomlar bizning quyosh modelimiz noto'g'ri ekanligini ta'kidlab kelishdi.

4. Super Kamiokande detektoridan Cherenkov nurlanishidagi neytrino hodisalari tasvirlari

Albatta, agar rost bo'lsa, standart model bashorat qilganidan koinot haqidagi tushunchamizni o'zgartirishi mumkin bo'lgan yana bir ekzotik imkoniyat bor edi. G'oya shundan iboratki, biz biladigan uch turdagi neytrinolar aslida massaga ega emas, balki ozg'in, va ular etarli energiyaga ega bo'lsa, lazzatlarni o'zgartirish uchun aralashtirishi (to'lqinlanishi) mumkin. Agar neytrino elektron tarzda tetiklansa, u yo'lda o'zgarishi mumkin muon i taonslekin bu faqat massaga ega bo'lganda mumkin. Olimlarni o'ng va chap qo'lli neytrinolar muammosi tashvishga solmoqda. Chunki uni ajrata olmasangiz, uning zarra yoki antizarra ekanligini farqlay olmaysiz.

Neytrino o'zining antizarrasi bo'lishi mumkinmi? Odatiy standart modelga ko'ra emas. Fermionumuman olganda, ular o'zlarining antizarralari bo'lmasligi kerak. Fermion - bu ± XNUMX/XNUMX aylanishga ega bo'lgan har qanday zarracha. Bu toifaga barcha kvarklar va leptonlar, shu jumladan neytrinolar kiradi. Biroq, fermionlarning o'ziga xos turi mavjud bo'lib, u hozirgacha faqat nazariy jihatdan mavjud - o'zining antizarrasi bo'lgan Majorana fermioni. Agar u mavjud bo'lsa, biron bir maxsus narsa sodir bo'lishi mumkin ... neytrinosiz ikki tomonlama beta parchalanishi. Va bu erda uzoq vaqtdan beri bunday bo'shliqni izlayotgan eksperimentchilar uchun imkoniyat bor.

Neytrinolar ishtirokida kuzatilgan barcha jarayonlarda bu zarralar fiziklar chap qo'llik deb ataydigan xususiyatni namoyon qiladi. Standart modelning eng tabiiy kengaytmasi bo'lgan o'ng qo'lli neytrinolar hech qaerda ko'rinmaydi. Boshqa barcha MS zarralari o'ng qo'l versiyasiga ega, ammo neytrinolarda yo'q. Nega? Xalqaro fiziklar jamoasi, jumladan Krakovdagi Polsha Fanlar Akademiyasining Yadro fizikasi instituti (IFJ PAN) tomonidan olib borilgan so'nggi, o'ta keng qamrovli tahlil ushbu masala bo'yicha tadqiqot olib bordi. Olimlarning fikricha, o'ng qo'l neytrinolarining kuzatilmaganligi ularning Majorana fermionlari ekanligini isbotlashi mumkin. Agar ular bo'lgan bo'lsa, unda ularning o'ng tomonlama versiyasi juda katta, bu aniqlash qiyinligini tushuntiradi.

Shunga qaramay, biz neytrinolarning o'zlari antizarralar ekanligini hali ham bilmaymiz. Ular o'z massasini Xiggs bozonining juda zaif bog'lanishidan oladimi yoki boshqa mexanizm orqali oladimi, biz bilmaymiz. Va biz bilmaymiz, ehtimol neytrino sektori biz o'ylagandan ko'ra ancha murakkab, steril yoki og'ir neytrinolar qorong'ida yashiringan.

Atomlar va boshqa anomaliyalar

Elementar zarrachalar fizikasida zamonaviy neytrinolardan tashqari, "yangi fizika" porlashi mumkin bo'lgan boshqa kam ma'lum bo'lgan tadqiqot yo'nalishlari ham mavjud. Masalan, yaqinda olimlar bu jumboqni tushuntirish uchun subatomik zarrachaning yangi turini taklif qilishdi. kaon parchalanishi (5), dan tashkil topgan mezon zarrasining maxsus holati bitta kvark i bitta antiqa sotuvchi. Kaon zarralari parchalanganda, ularning kichik bir qismi olimlarni hayratda qoldiradigan o'zgarishlarga uchraydi. Ushbu parchalanish uslubi yangi turdagi zarrachani yoki ishda yangi jismoniy kuchni ko'rsatishi mumkin. Bu standart model doirasidan tashqarida.

Standart modeldagi bo'shliqlarni topish uchun ko'proq tajribalar mavjud. Bularga g-2 muonni qidirish kiradi. Bundan qariyb yuz yil muqaddam fizik Pol Dirak elektronning magnit momentini zarrachaning spin xossalarini aniqlaydigan g raqamidan foydalangan holda bashorat qilgan edi. Keyin o'lchovlar shuni ko'rsatdiki, "g" 2 dan bir oz farq qiladi va fiziklar subatomik zarrachalarning ichki tuzilishini va umuman fizika qonunlarini o'rganish uchun "g" va 2 ning haqiqiy qiymati o'rtasidagi farqdan foydalana boshladilar. 1959 yilda Shveytsariyaning Jeneva shahridagi CERN elektronga bog'langan, ammo barqaror bo'lmagan va elementar zarrachadan 2 marta og'irroq bo'lgan muon deb ataladigan subatomik zarrachaning g-207 qiymatini o'lchaydigan birinchi tajribani o'tkazdi.

Nyu-Yorkdagi Brukxaven milliy laboratoriyasi o'z tajribasini boshladi va 2 yilda G-2004 tajribasi natijalarini e'lon qildi. O'lchov standart model bashorat qilganidek emas edi. Biroq, eksperiment statistik tahlil uchun o'lchangan qiymat faqat statistik tebranish emas, balki haqiqatan ham boshqacha ekanligini isbotlash uchun etarli ma'lumot to'plamadi. Boshqa tadqiqot markazlari hozirda g-2 bilan yangi tajribalar o'tkazmoqda va biz natijalarni tez orada bilib olamiz.

Bundan ham qiziqroq narsa bor Kaon anomaliyalari i muon. 2015 yilda berilliy 8Be parchalanishi bo'yicha o'tkazilgan tajriba anomaliyani ko'rsatdi. Vengriya olimlari o'zlarining detektoridan foydalanadilar. Aytgancha, ular tabiatning beshinchi asosiy kuchi mavjudligini ko'rsatadigan kashf qildilar yoki kashf qildilar deb o'ylashdi.

Kaliforniya universiteti fiziklari tadqiqotga qiziqish bildirishdi. Ular bu hodisani chaqirishni taklif qilishdi atom anomaliyasi, tabiatning beshinchi kuchini olib yurishi kerak bo'lgan mutlaqo yangi zarracha tufayli yuzaga kelgan. U X17 deb ataladi, chunki uning mos keladigan massasi deyarli 17 million elektron volt deb hisoblanadi. Bu elektronning massasidan 30 barobar ko'p, lekin protonning massasidan kamroq. X17 ning proton bilan o'zini tutishi uning eng g'alati xususiyatlaridan biridir - ya'ni u proton bilan umuman o'zaro ta'sir qilmaydi. Buning o'rniga u hech qanday zaryadga ega bo'lmagan manfiy zaryadlangan elektron yoki neytron bilan o'zaro ta'sir qiladi. Bu X17 zarrachasini hozirgi standart modelimizga moslashtirishni qiyinlashtiradi. Bozonlar kuchlar bilan bog'langan. Glyuonlar kuchli kuch bilan, bozonlar kuchsiz kuch bilan va fotonlar elektromagnetizm bilan bog'liq. Hatto graviton deb ataladigan tortishish uchun gipotetik bozon ham mavjud. Bozon sifatida X17 o'ziga xos kuchga ega bo'ladi, masalan, hozirgacha biz uchun sir bo'lib kelgan va bo'lishi mumkin.

Koinot va uning afzal yo'nalishi?

Joriy yilning aprel oyida Science Advances jurnalida chop etilgan maqolada, Sidneydagi Yangi Janubiy Uels universiteti olimlari 13 milliard yorug‘lik yili uzoqlikdagi kvazar tomonidan chiqarilgan yorug‘likning yangi o‘lchovlari nozik doimiy tuzilmada kichik o‘zgarishlarni aniqlagan oldingi tadqiqotlarni tasdiqlaganini ma’lum qilishdi. koinotning. Professor Jon Uebb UNSW dan (6) nozik tuzilish konstantasi "fiziklar elektromagnit kuchning o'lchovi sifatida foydalanadigan miqdor" ekanligini tushuntiradi. elektromagnit kuch koinotdagi har bir atomdagi yadrolar atrofida elektronlarni saqlaydi. Busiz barcha materiya parchalanib ketadi. Yaqin vaqtgacha u vaqt va makonda doimiy kuch hisoblangan. Ammo so'nggi yigirma yillik tadqiqotlarida professor Uebb qattiq nozik tuzilishdagi anomaliyani payqadi, unda koinotda tanlangan bir yo'nalishda o'lchanadigan elektromagnit kuch har doim bir oz boshqacha ko'rinadi.

"" deb tushuntiradi Uebb. Mos kelmaslik Avstraliya jamoasining o'lchovlarida emas, balki ularning natijalarini boshqa olimlar tomonidan kvazar nurining boshqa ko'plab o'lchovlari bilan taqqoslaganda paydo bo'ldi.

- deydi professor Uebb. "". Uning fikricha, natijalar koinotda afzal yo'nalish bo'lishi mumkinligini ko'rsatmoqda. Boshqacha qilib aytganda, koinot qaysidir ma'noda dipol tuzilishga ega bo'lar edi.

"" Aniqlangan anomaliyalar haqida olim aytadi.

Bu yana bir narsa: galaktikalar, kvazarlar, gaz bulutlari va hayotga ega sayyoralarning tasodifiy tarqalishi o'rniga, koinot birdan shimoliy va janubiy hamkasbiga ega bo'ldi. Professor Uebb shunga qaramay, olimlar tomonidan turli texnologiyalar yordamida va Yerning turli joylaridan turli bosqichlarda o'tkazilgan o'lchovlar natijalari aslida juda katta tasodif ekanligini tan olishga tayyor.

Uebbning ta'kidlashicha, agar koinotda yo'nalish mavjud bo'lsa va elektromagnetizm kosmosning ma'lum hududlarida bir oz boshqacha bo'lib chiqsa, zamonaviy fizikaning aksariyat qismidagi eng asosiy tushunchalarni qayta ko'rib chiqish kerak bo'ladi. "", gapiradi. Model Eynshteynning tortishish nazariyasiga asoslanadi, u tabiat qonunlarining doimiyligini aniq nazarda tutadi. Agar yo'q bo'lsa, unda ... fizikaning butun binosini aylantirish fikri hayratlanarli.