Fisika anyar sumunar saka akeh panggonan

Owah-owahan sing bisa ditindakake ing Model Standar fisika (1) utawa relativitas umum, loro teori paling apik (sanajan ora kompatibel) ing alam semesta, wis winates banget. Ing tembung liyane, sampeyan ora bisa ngganti akeh tanpa ngrusak kabeh.

Kasunyatane ana uga asil lan fenomena sing ora bisa diterangake adhedhasar model sing kita kenal. Dadi apa kita kudu nggawe kabeh sing ora bisa diterangake utawa ora konsisten kanthi biaya apa wae sing konsisten karo teori sing ana, utawa kudu golek sing anyar? Iki minangka salah sawijining pitakonan dhasar fisika modern.

Model Standar fisika partikel wis kasil nerangake kabeh interaksi sing dikenal lan ditemokake ing antarane partikel sing wis diamati. Semesta dumadi saka quark, leptonov lan gauge boson, sing ngirim telu saka papat pasukan dhasar ing alam lan menehi partikel massa liyane. Ana uga relativitas umum, sayangé, dudu téori gravitasi kuantum, sing nggambarake hubungan antara ruang-wektu, materi lan energi ing alam semesta.

Kesulitan ngluwihi rong teori kasebut yaiku yen sampeyan nyoba ngganti kanthi ngenalake unsur, konsep lan jumlah anyar, sampeyan bakal entuk asil sing mbantah karo pangukuran lan pengamatan sing wis ana. Sampeyan uga kudu eling yen sampeyan pengin ngluwihi kerangka ilmiah saiki, beban pembuktian pancen gedhe banget. Ing sisih liya, angel banget ora ngarep-arep saka wong sing ngrusak model sing wis dicoba lan diuji nganti pirang-pirang dekade.

Ngadhepi panjaluk kasebut, ora nggumunake yen meh ora ana sing nyoba ngrampungake paradigma fisika sing wis ana. Lan yen mengkono, iku ora dianggep serius ing kabeh, amarga cepet kesandhung ing mriksa prasaja. Dadi, yen kita ndeleng bolongan potensial, iki mung reflektor, menehi tandha yen ana sing sumunar nang endi wae, nanging ora jelas manawa ana apa-apa.

Fisika sing dikenal ora bisa nangani alam semesta

Conto shimmer iki "rampung anyar lan beda"? Contone, pengamatan tingkat recoil, sing katon ora konsisten karo pernyataan yen Semesta mung diisi partikel saka Model Standar lan manut teori relativitas umum. Kita ngerti manawa sumber gravitasi individu, galaksi, kluster galaksi, lan malah web kosmik sing gedhe ora cukup kanggo nerangake fenomena iki, mbok menawa. Kita ngerti manawa, sanajan Model Standar nyatakake yen materi lan antimateri kudu digawe lan dirusak kanthi jumlah sing padha, nanging kita manggon ing alam semesta sing biasane dumadi saka materi kanthi jumlah antimateri sing cilik. Ing tembung liya, kita weruh yen "fisika sing dikenal" ora bisa nerangake kabeh sing kita deleng ing alam semesta.

Akeh eksperimen sing ngasilake asil sing ora dikarepke, yen dites ing tingkat sing luwih dhuwur, bisa dadi revolusioner. Malah sing diarani Anomali Atom sing nuduhake anané partikel bisa dadi kesalahan eksperimen, nanging bisa uga dadi tandha ngluwihi Model Standar. Cara sing beda-beda kanggo ngukur alam semesta menehi nilai sing beda kanggo tingkat ekspansi - masalah sing kita nimbang kanthi rinci ing salah sawijining masalah MT anyar.

Nanging, ora ana anomali kasebut menehi asil sing cukup ngyakinake kanggo dianggep minangka tandha fisika anyar sing ora bisa dibantah. Sembarang utawa kabeh iki mung bisa dadi fluktuasi statistik utawa instrumen sing ora dikalibrasi kanthi bener. Akeh sing bisa nuding fisika anyar, nanging bisa diterangake kanthi gampang nggunakake partikel lan fenomena sing dikenal ing konteks relativitas umum lan Model Standar.

Kita rencana kanggo eksprimen, ngarep-arep asil lan rekomendasi sing luwih jelas. Kita bakal weruh yen energi peteng nduweni nilai konstan. Adhedhasar studi galaksi sing direncanakake dening Observatorium Vera Rubin lan data babagan supernova sing adoh bakal kasedhiya ing mangsa ngarep. teleskop nancy grace, sadurunge WFIRST, kita kudu ngerteni yen energi peteng berkembang kanthi wektu nganti 1%. Yen mangkono, model kosmologi "standar" kita kudu diganti. Bisa uga antena interferometer laser ruang (LISA) ing babagan rencana uga bakal menehi kejutan. Singkatipun, kita ngetung ing kendaraan pengamatan lan eksperimen sing kita rencanakake.

Kita uga isih kerja ing bidang fisika partikel, ngarep-arep bisa nemokake fenomena ing njaba Model, kayata pangukuran sing luwih akurat babagan momen magnetik elektron lan muon - yen ora setuju, fisika anyar katon. Kita lagi makarya kanggo ngerteni kepiye fluktuasi neutrino – kene uga, fisika anyar cemlorot liwat. Lan yen kita mbangun collider elektron-positron akurat, bunder utawa linear (2), kita bisa ndeteksi iku ngluwihi Model Standar sing LHC durung bisa ndeteksi. Ing donya fisika, versi LHC sing luwih gedhe kanthi keliling nganti 100 km wis suwe diusulake. Iki bakal menehi energi tabrakan sing luwih dhuwur, sing, miturut akeh fisikawan, pungkasane bakal menehi tandha fenomena anyar. Nanging, iki minangka investasi sing larang banget, lan pambangunan raksasa mung ing prinsip - "ayo mbangun lan ndeleng apa sing bakal dituduhake" nyebabake akeh keraguan.

2. Linear lepton collider - visualisasi

Ana rong jinis pendekatan kanggo masalah ing ilmu fisika. Sing pertama yaiku pendekatan sing kompleks, sing kasusun ing desain sempit eksperimen utawa observatorium kanggo ngrampungake masalah tartamtu. Pendekatan kapindho diarani metode brute force.sing ngembangake eksperimen utawa observatorium universal sing nyurung wates kanggo njelajah alam semesta kanthi cara sing anyar tinimbang pendekatan sadurunge. Pisanan luwih berorientasi ing Model Standar. Kapindho ngijini sampeyan kanggo golek ngambah soko liyane, nanging, sayangé, soko iki ora persis ditetepake. Mangkono, loro cara duwe drawbacks.

Goleki sing disebut Teori Kabeh (TUT), grail suci fisika, kudu diselehake ing kategori kaloro, amarga luwih asring teka mudhun kanggo nemokake energi sing luwih dhuwur lan luwih dhuwur (3), ing ngendi pasukan saka alam pungkasane gabung dadi siji interaksi.

3. Energi sing dibutuhake kanggo manunggal hipotetis interaksi

Nisforn neutrino

Bubar, ilmu pengetahuan wis dadi luwih fokus ing wilayah sing luwih menarik, kayata riset neutrino, sing bubar nerbitake laporan ekstensif ing MT. Ing Februari 2020, Jurnal Astrophysical nerbitake publikasi babagan panemuan neutrino energi dhuwur sing ora dingerteni ing Antartika. Saliyane eksperimen sing kondhang, riset uga ditindakake ing bawana es kanthi jeneng kode ANITA (), sing kalebu ing release balon kanthi sensor. gelombang radio.

Loro-lorone lan ANITA dirancang kanggo nggoleki gelombang radio saka neutrino energi dhuwur sing tabrakan karo zat padhet sing nggawe es. Avi Loeb, ketua Departemen Astronomi Harvard, nerangake ing situs web Salon: "Acara sing dideteksi ANITA mesthi katon kaya anomali amarga ora bisa diterangake minangka neutrino saka sumber astrofisika. (...) Bisa uga ana sawetara partikel sing interaksi luwih lemah tinimbang neutrino karo materi biasa. Kita curiga manawa partikel kasebut ana minangka materi peteng. Nanging apa sing ndadekake acara ANITA dadi energik?"

Neutrino mung partikel sing dikenal sing nglanggar Model Standar. Miturut Model Standar partikel dhasar, kita kudu duwe telung jinis neutrino (elektronik, muon lan tau) lan telung jinis antineutrino, lan sawise dibentuk kudu stabil lan ora owah sifate. Wiwit taun 60-an, nalika pitungan lan pangukuran neutrino pisanan sing diprodhuksi dening Srengéngé muncul, kita nyadari yen ana masalah. Kita ngerti carane akeh neutrino elektron dibentuk inti solar. Nanging nalika kita ngukur pira sing teka, kita mung weruh sapratelo saka jumlah sing diprediksi.

Ana sing salah karo detektor kita, utawa ana sing salah karo model Srengéngé, utawa ana sing salah karo neutrino dhéwé. Eksperimen reaktor kanthi cepet mbantah manawa ana sing salah karo detektor kita (4). Dheweke kerja kaya sing dikarepake lan kinerjane apik banget. Neutrino sing dideteksi didaftar kanthi proporsi karo jumlah neutrino sing teka. Wis pirang-pirang dekade, akeh astronom sing mbantah manawa model solar kita salah.

4. Gambar acara neutrino ing radiasi Cherenkov saka detektor Super Kamiokande

Mesthi, ana kemungkinan eksotis liyane sing, yen bener, bakal ngganti pemahaman kita babagan alam semesta saka apa sing diprediksi Model Standar. Ide kasebut yaiku telung jinis neutrino sing kita kenal sejatine duwe massa, ora kurus, lan padha bisa nyampur (fluktuasi) kanggo ngganti rasa yen padha duwe energi cukup. Yen neutrino wis elektronik micu, bisa ngganti sadawane dalan kanggo muni i taonovnanging iki bisa mung yen wis massa. Para ilmuwan prihatin babagan masalah neutrino tangan tengen lan kiwa. Amarga yen sampeyan ora bisa mbedakake, sampeyan ora bisa mbedakake apa partikel utawa antipartikel.

Apa neutrino bisa dadi antipartikel dhewe? Ora miturut Model Standar biasanipun. Fermionumume ora kudu dadi antipartikel dhewe. Fermion yaiku partikel apa wae kanthi rotasi ± XNUMX/XNUMX. Kategori iki kalebu kabeh quark lan lepton, kalebu neutrino. Nanging, ana jinis khusus fermion, sing nganti saiki mung ana ing teori - fermion Majorana, yaiku antipartikel dhewe. Yen ana, bisa uga ana kedadeyan khusus ... bebas neutrino bosok beta kaping pindho. Lan iki minangka kesempatan kanggo para eksperimen sing wis suwe nggoleki celah kasebut.

Ing kabeh proses sing diamati sing nglibatake neutrino, partikel-partikel kasebut nuduhake properti sing diarani ahli fisika tangan kiwa. Neutrino tangan tengen, sing minangka ekstensi paling alami saka Model Standar, ora ana sing katon. Kabeh partikel MS liyane duwe versi tangan tengen, nanging neutrino ora. Kenging punapa? Analisis paling anyar lan lengkap dening tim fisikawan internasional, kalebu Institut Fisika Nuklir Akademi Ilmu Pengetahuan Polandia (IFJ PAN) ing Krakow, wis nindakake riset babagan masalah iki. Para ilmuwan percaya yen kurang pengamatan neutrino tangan tengen bisa mbuktekake manawa dheweke minangka fermion Majorana. Yen padha, banjur versi sisih tengen banget massive, kang nerangake kangelan deteksi.

Nanging kita isih ora ngerti yen neutrino minangka antipartikel dhewe. Kita ora ngerti yen padha njaluk massa saka naleni banget banget saka Higgs boson, utawa yen padha njaluk liwat sawetara mekanisme liyane. Lan kita ora ngerti, bisa uga sektor neutrino luwih rumit tinimbang sing kita bayangake, kanthi neutrino steril utawa abot sing ndhelik ing peteng.

Atom lan anomali liyane

Ing fisika partikel dhasar, saliyane neutrino modis, ana wilayah riset liyane sing kurang kondhang sing bisa dadi "fisika anyar". Para ilmuwan, contone, bubar ngusulake jinis partikel subatomik anyar kanggo nerangake enigmatic disintegrasi minangka (5), kasus khusus saka partikel meson dumadi saka siji quark i siji bakul barang antik. Nalika partikel kaon bosok, pecahan cilik saka partikel kasebut ngalami owah-owahan sing kaget para ilmuwan. Gaya bosok iki bisa nunjukake jinis partikel anyar utawa gaya fisik anyar ing karya. Iki ing njaba ruang lingkup Model Standar.

Ana luwih akeh eksperimen kanggo nemokake kesenjangan ing Model Standar. Iki kalebu nggoleki g-2 muon. Meh satus taun kepungkur, fisikawan Paul Dirac prédhiksi momen magnetik sawijining elektron kanthi nggunakake g, nomer sing nemtokake sifat spin partikel. Banjur pangukuran nuduhake yen "g" rada beda karo 2, lan fisikawan wiwit nggunakake prabédan antarane nilai nyata "g" lan 2 kanggo nyinaoni struktur internal partikel subatomik lan hukum fisika ing umum. Ing taun 1959, CERN ing Jenewa, Swiss, nganakake eksperimen pisanan sing ngukur nilai g-2 saka partikel subatom sing diarani muon, kaiket karo elektron nanging ora stabil lan 207 kaping luwih abot tinimbang partikel dhasar.

Laboratorium Nasional Brookhaven ing New York miwiti eksperimen dhewe lan nerbitake asil eksperimen g-2 ing taun 2004. Pangukuran kasebut ora kaya sing diramalake dening Model Standar. Nanging, eksperimen ora ngumpulake data sing cukup kanggo analisis statistik kanggo mbuktekake kanthi yakin yen nilai sing diukur pancen beda lan ora mung fluktuasi statistik. Pusat riset liyane saiki nindakake eksperimen anyar karo g-2, lan kita bakal ngerti asile.

Ana sing luwih nyenengake tinimbang iki Anomali Kaon i muni. Ing 2015, eksperimen babagan pembusukan beryllium 8Be nuduhake anomali. Ilmuwan ing Hongaria nggunakake detektor. Nanging, ora sengaja, dheweke nemokake utawa ngira yen ditemokake, sing nuduhake anane kekuwatan dhasar kalima alam.

Fisikawan saka Universitas California dadi kasengsem ing sinau. Padha disaranake sing kedadean disebut anomali atom, disababaké déning partikel rampung anyar, kang mestine kanggo nindakake pasukan kalima alam. Iki diarani X17 amarga massa sing cocog dianggep meh 17 yuta volt elektron. Iki 30 kaping massa elektron, nanging kurang saka massa proton. Lan cara X17 tumindak karo proton minangka salah sawijining fitur sing paling aneh - yaiku, ora sesambungan karo proton. Nanging, interaksi karo elektron utawa neutron sing duwe muatan negatif, sing ora ana muatan. Iki ndadekake angel kanggo pas partikel X17 menyang Model Standar kita saiki. Boson digandhengake karo pasukan. Gluon digandhengake karo gaya kuat, boson karo gaya lemah, lan foton karo elektromagnetisme. Malah ana boson hipotetis kanggo gravitasi sing diarani graviton. Minangka boson, X17 bakal nggawa pasukan dhewe, kayata sing nganti saiki wis dadi misteri kanggo kita lan bisa uga.

Semesta lan arah sing disenengi?

Ing makalah sing diterbitake April iki ing jurnal Science Advances, para ilmuwan ing Universitas New South Wales ing Sydney nglaporake manawa pangukuran anyar cahya sing dipancarake dening quasar 13 milyar taun cahya ngonfirmasi studi sadurunge sing nemokake variasi cilik ing struktur konstan sing apik. saka jagad raya. Profesor John Webb saka UNSW (6) nerangake manawa konstanta struktur sing apik "iku jumlah sing digunakake para fisikawan minangka ukuran gaya elektromagnetik." gaya elektromagnetik njaga elektron ngubengi inti ing saben atom ing alam semesta. Tanpa iku, kabeh prakara bakal ambruk. Nganti saiki, iki dianggep minangka pasukan sing tetep ing wektu lan papan. Nanging sajrone riset sajrone rong puluh taun kepungkur, Profesor Webb wis ngelingi anomali ing struktur padhet sing padhet ing ngendi gaya elektromagnetik, diukur ing arah sing dipilih ing alam semesta, mesthi rada beda.

"" nerangake Webb. Inkonsistensi kasebut ora katon ing pangukuran tim Australia, nanging nalika mbandhingake asile karo akeh pangukuran cahya quasar liyane dening ilmuwan liyane.

"" ujare Profesor Webb. "". Miturut panemune, asil kasebut nuduhake manawa ana arah sing disenengi ing jagad raya. Ing tembung liya, alam semesta bakal duwe struktur dipol.

"" Ujare ilmuwan babagan anomali sing ditandhani.

Iki minangka salah sawijining perkara liyane: tinimbang sing dianggep minangka panyebaran galaksi, quasar, awan gas lan planet sing urip kanthi acak, jagad iki dumadakan duwe pasangan sisih lor lan kidul. Nanging Profesor Webb siap ngakoni manawa asil pangukuran para ilmuwan sing ditindakake ing macem-macem tahapan nggunakake teknologi sing beda-beda lan saka macem-macem papan ing Bumi nyatane minangka kebetulan sing gedhe.

Webb nedahake yen yen ana arah ing alam semesta, lan yen elektromagnetisme katon rada beda ing wilayah kosmos tartamtu, konsep sing paling dhasar ing mburi fisika modern kudu dideleng maneh. "", ngandika. Model kasebut adhedhasar teori gravitasi Einstein, sing kanthi tegas nganggep konsistensi hukum alam. Lan yen ora, banjur ... pikirane ngowahi kabeh bangunan fisika iku narik ati.