Fisika anyar bersinar ti seueur tempat

Sakur parobahan anu mungkin anu urang hoyong laksanakeun kana Modél Standar fisika (1) atanapi rélativitas umum, dua téori jagat raya anu pangsaéna (sanaos teu cocog), parantos dugi pisan. Dina basa sejen, anjeun moal bisa ngarobah loba tanpa ngaruksak sakabéh.

Nyatana aya ogé hasil sareng fenomena anu teu tiasa dijelaskeun dina dasar modél anu dipikanyaho ku urang. Janten naha urang kedah kaluar tina jalan pikeun ngajantenkeun sadayana teu jelas atanapi teu konsisten dina biaya naon waé anu konsisten sareng téori anu aya, atanapi kedah milarian anu énggal? Ieu salah sahiji patarosan dasar fisika modern.

Modél Standar fisika partikel parantos suksés ngajelaskeun sadaya interaksi anu dipikanyaho sareng kapanggih antara partikel anu kantos dititénan. Jagat raya diwangun ku quark, leptonov sarta boson gauge, nu ngirimkeun tilu tina opat gaya dasar di alam jeung masihan partikel massa sésana maranéhanana. Aya ogé rélativitas umum, urang, hanjakalna, teu téori kuantum gravitasi, nu ngajelaskeun hubungan antara spasi-waktu, zat jeung énergi di jagat raya.

Kasusahna ngalangkungan dua téori ieu nyaéta upami anjeun nyobian ngarobih ku cara ngenalkeun unsur, konsép sareng kuantitas énggal, anjeun bakal nampi hasil anu bertentangan sareng pangukuran sareng pangamatan anu parantos urang gaduh. Éta ogé patut émut yén upami anjeun hoyong ngalangkungan kerangka ilmiah urang ayeuna, beban buktina ageung pisan. Di sisi anu sanés, sesah henteu ngarep-ngarep pisan tina jalma anu ngarusak modél anu dicoba sareng diuji mangtaun-taun.

Dina nyanghareupan tungtutan sapertos kitu, teu heran yén ampir teu aya anu nyobian ngabéréskeun paradigma anu aya dina fisika. Sareng upami éta, éta henteu dianggap sacara serius, sabab gancang-gancang nyandung dina cek anu sederhana. Janten, upami urang ningali liang poténsial, maka ieu ngan ukur pemantul, nunjukkeun yén aya anu bersinar di mana waé, tapi henteu écés naha éta patut angkat ka dinya.

Fisika anu dipikanyaho teu tiasa ngadamel jagat raya

Conto shimmer ieu "lengkep anyar jeung béda"? Muhun, contona, observasi laju recoil, nu sigana inconsistent jeung pernyataan yén Alam Semesta ngeusi ukur partikel tina Modél Standar tur taat kana téori rélativitas umum. Urang terang yen sumber individu gravitasi, galaksi, klaster galaksi, komo web kosmis hébat teu cukup pikeun ngajelaskeun fenomena ieu, meureun. Urang terang yén, sanajan Modél Standar nyatakeun yén zat sareng antimateri kedah diciptakeun sareng dimusnahkeun dina jumlah anu sami, urang hirup di jagat raya anu lolobana diwangun ku zat sareng jumlah antimateri anu sakedik. Dina basa sejen, urang nempo yén "fisika dipikawanoh" teu bisa ngajelaskeun sagalana urang tingali di jagat raya.

Loba percobaan geus yielded hasil kaduga yen, lamun diuji dina tingkat nu leuwih luhur, bisa jadi revolusioner. Malah anu disebut Anomali Atom anu nunjukkeun ayana partikel tiasa janten kasalahan ékspérimén, tapi ogé tiasa janten tanda pikeun ngalangkungan Model Standar. Métode anu béda pikeun ngukur jagat raya masihan nilai anu béda pikeun laju ékspansina - masalah anu kami anggap sacara rinci dina salah sahiji masalah MT panganyarna.

Sanajan kitu, euweuh anomali ieu méré hasil cukup ngayakinkeun bisa dianggap tanda indisputable fisika anyar. Sakur atawa sakabéh ieu ngan saukur bisa jadi fluctuations statistik atawa instrumen salah calibrated. Loba di antarana bisa nunjuk ka fisika anyar, tapi maranéhna bisa sagampang dijelaskeun ngagunakeun partikel dipikawanoh jeung fenomena dina konteks rélativitas umum jeung Modél Standar.

Kami ngarencanakeun ékspérimén, ngarep-ngarep hasil sareng saran anu langkung jelas. Urang bisa geura-giru ningali lamun énergi poék boga nilai konstan. Dumasar kana studi galaksi anu direncanakeun ku Observatorium Vera Rubin sareng data ngeunaan supernova anu jauh bakal sayogi di hareup. teleskop nancy grace, saméméhna WFIRST, urang kudu manggihan lamun énergi poék evolves kalawan waktu pikeun dina 1%. Upami kitu, modél kosmologis "standar" urang kedah dirobih. Ieu mungkin yén spasi laser interferometer anteneu (LISA) dina watesan rencana ogé bakal masihan urang kejutan. Pondokna, urang cacah dina wahana observasi jeung percobaan nu urang rarancang.

Urang ogé masih digawé di widang fisika partikel, hoping pikeun manggihan fenomena di luar Modél, kayaning pangukuran leuwih akurat tina moments magnét éléktron jeung muon - lamun maranéhna teu satuju, fisika anyar muncul. Kami nuju damel pikeun terang kumaha aranjeunna turun naek neutrino - di dieu ogé, fisika anyar bersinar. Tur upami urang ngawangun hiji collider éléktron-positron akurat, sirkular atawa linier (2), urang bisa ngadeteksi hal saluareun Modél Standar nu LHC teu acan tiasa ngadeteksi. Di dunya fisika, versi LHC anu langkung ageung kalayan kuriling dugi ka 100 km parantos lami diusulkeun. Ieu bakal masihan énergi tabrakan anu langkung luhur, anu, numutkeun seueur fisikawan, tungtungna bakal nunjukkeun fénoména anyar. Nanging, ieu mangrupikeun investasi anu mahal pisan, sareng pangwangunan raksasa ngan ukur prinsipna - "hayu urang ngawangun éta sareng ningali naon anu bakal nunjukkeun ka urang" nyababkeun seueur mamang.

2. Linier lepton collider - visualisasi

Aya dua jinis pendekatan kana masalah dina élmu fisik. Anu kahiji nyaéta pendekatan anu kompleks, nu diwangun dina rarancang sempit percobaan atawa observatorium pikeun ngajawab masalah husus. Pendekatan kadua disebut metode brute force.anu ngembangkeun ékspérimén universal, ngadorong wates atanapi observatorium pikeun ngajalajah jagat raya ku cara anu énggal tibatan pendekatan urang sateuacana. Kahiji leuwih hadé berorientasi dina Modél Standar. Nu kadua ngidinan Anjeun pikeun manggihan ngambah hal leuwih, tapi, hanjakalna, hal ieu teu persis tangtu. Ku kituna, duanana métode boga drawbacks maranéhanana.

Néangan nu disebut Téori Sagala (TUT), grail suci fisika, kudu ditempatkeun dina kategori kadua, sabab leuwih sering ti teu datang ka handap pikeun manggihan énergi luhur jeung luhur (3), di mana gaya alam ahirna ngahiji jadi hiji interaksi.

3. Énergi dipikabutuh pikeun ngahijikeun hypothetical tina interaksi

Nisforn neutrino

Anyar-anyar ieu, sains parantos langkung difokuskeun kana daérah anu langkung narik, sapertos panalungtikan neutrino, dimana urang nembé nyebarkeun laporan éksténsif dina MT. Dina Pébruari 2020, Astrophysical Journal nyebarkeun publikasi ngeunaan panemuan neutrino énergi tinggi anu teu dipikanyaho di Antartika. Salian ékspérimén anu kasohor, panalungtikan ogé dilaksanakeun di buana tiris dina nami kode ANITA (), anu diwangun dina sékrési balon kalayan sénsor. gelombang radio.

Duanana sareng ANITA dirarancang pikeun milarian gelombang radio tina neutrino énergi tinggi anu tabrakan sareng zat padet anu ngabentuk és. Avi Loeb, pupuhu Departemen Astronomi Harvard, ngajelaskeun dina situs wéb Salon: "Kajadian anu dideteksi ku ANITA pasti sigana sapertos anomali sabab henteu tiasa dijelaskeun salaku neutrino tina sumber astrofisika. (...) Bisa jadi sababaraha jenis partikel anu interaksi leuwih lemah batan neutrino jeung zat biasa. Kami nyangka yén partikel sapertos kitu aya salaku materi poék. Tapi naon anu ngajadikeun acara ANITA jadi energetik?"

Neutrino mangrupikeun hiji-hijina partikel anu dipikanyaho ngalanggar Modél Standar. Numutkeun kana Modél Standar partikel dasar, urang kedah gaduh tilu jinis neutrino (éléktronik, muon sareng tau) sareng tilu jinis antineutrino, sareng saatos kabentukna aranjeunna kedah stabil sareng henteu robih dina sipatna. Ti taun 60-an, nalika itungan munggaran tur pangukuran neutrino dihasilkeun Panonpoé mucunghul, urang sadar yen aya masalah. Urang terang sabaraha neutrino éléktron kabentuk inti surya. Tapi nalika urang ngukur sabaraha anu sumping, urang ngan ukur ningali sapertilu tina jumlah anu diprediksi.

Boh aya anu lepat sareng detéktor urang, atanapi aya anu lepat sareng modél Panonpoé urang, atanapi aya anu lepat sareng neutrino sorangan. Percobaan reaktor gancang ngabantah anggapan yén aya anu salah sareng detéktor urang (4). Aranjeunna damel sapertos anu diharapkeun sareng prestasina dipeunteun pisan. Neutrino anu kami deteksi didaptarkeun saimbang sareng jumlah neutrino anu sumping. Pikeun sababaraha dekade, loba astronom geus pamadegan yén modél surya urang salah.

4. Gambar kajadian neutrino dina radiasi Cherenkov ti detektor Super Kamiokande

Tangtosna, aya kamungkinan aheng anu sanés, upami leres, bakal ngarobih pamahaman urang ngeunaan jagat raya tina anu diprediksi Model Standar. Gagasanna nyaéta yén tilu jinis neutrino anu urang terang leres-leres gaduh massa, sanés kurus, sarta yén maranéhna bisa nyampur (fluktuasi) pikeun ngarobah rasa lamun maranéhna boga énergi cukup. Lamun neutrino sacara éléktronik dipicu, éta bisa ngarobah sapanjang jalan ka muon i taonovtapi ieu mungkin ngan lamun boga massa. Élmuwan prihatin ngeunaan masalah neutrino katuhu sareng kénca. Pikeun lamun teu bisa ngabedakeun eta, anjeun moal bisa ngabedakeun naha éta partikel atawa antipartikel.

Naha neutrino tiasa janten antipartikel sorangan? Teu nurutkeun kana Modél Standar biasa. Fermionsacara umum aranjeunna henteu kedah janten antipartikel sorangan. Fermion nyaéta partikel naon waé anu rotasi ± XNUMX/XNUMX. Kategori ieu ngawengku sakabéh quark jeung lepton, kaasup neutrino. Sanajan kitu, aya tipe husus tina fermion, nu sajauh aya ngan dina teori - nu Majorana fermion, nu antiparticle sorangan. Upami éta aya, hal anu khusus tiasa kajantenan ... bebas neutrino buruk béta ganda. Sareng ieu mangrupikeun kasempetan pikeun ékspérimén anu parantos lami milarian jurang sapertos kitu.

Dina sakabéh prosés observasi ngalibetkeun neutrino, partikel ieu némbongkeun sipat nu fisikawan disebut left-handedness. Neutrino leungeun katuhu, anu mangrupikeun ekstensi anu paling alami tina Modél Standar, teu aya dimana waé. Kabéh partikel MS séjén boga versi leungeun katuhu, tapi neutrino henteu. Naha? Panganyarna, analisis pisan komprehensif ku tim internasional fisikawan, kaasup Institute of Nuklir Fisika Akademi Élmu Polandia (IFJ PAN) di Krakow, geus dipigawé panalungtikan ngeunaan masalah ieu. Élmuwan yakin yén kurangna observasi neutrino leungeun katuhu bisa ngabuktikeun yén maranéhna téh fermion Majorana. Upami éta, maka versi sisi katuhuna pisan ageung, anu ngajelaskeun kasusah deteksi.

Tapi urang masih henteu terang naha neutrino mangrupikeun antipartikel sorangan. Kami henteu terang upami aranjeunna nampi massana tina beungkeutan Higgs boson anu lemah, atanapi upami aranjeunna ngalangkungan sababaraha mékanisme anu sanés. Sareng urang henteu terang, panginten séktor neutrino langkung rumit tibatan anu urang pikirkeun, kalayan neutrino steril atanapi beurat anu nyumput dina poék.

Atom jeung anomali séjén

Dina fisika partikel dasar, sagigireun neutrino modis, aya wewengkon séjén panalungtikan kirang well-dipikawanoh ti mana "fisika anyar" bisa caang ngaliwatan. Élmuwan, contona, nembé ngusulkeun jinis partikel subatomik énggal pikeun ngajelaskeun enigmatic disintegrasi salaku (5), kasus husus partikel meson diwangun ku hiji quark i hiji dealer antik. Nalika partikel kaon buruk, sabagian leutik di antarana ngalaman parobahan anu kaget para ilmuwan. Gaya buruk ieu tiasa nunjukkeun jinis partikel énggal atanapi gaya fisik anu énggal dina padamelan. Ieu di luar lingkup Modél Standar.

Aya deui percobaan pikeun manggihan gap dina Modél Standar. Ieu kalebet milarian g-2 muon. Ampir saratus taun ka tukang, fisikawan Paul Dirac ngaramal momen magnét éléktron maké g, angka nu nangtukeun sipat spin partikel. Lajeng pangukuran némbongkeun yén "g" rada béda ti 2, sarta fisikawan mimiti ngagunakeun bédana antara nilai sabenerna "g" jeung 2 pikeun nalungtik struktur internal partikel subatomik jeung hukum fisika sacara umum. Taun 1959, CERN di Jenéwa, Swiss, ngalaksanakeun percobaan munggaran anu ngukur nilai g-2 tina partikel subatomik anu disebut muon, terikat ka éléktron tapi teu stabil sarta 207 kali leuwih beurat batan partikel dasar.

Laboratorium Nasional Brookhaven di New York ngamimitian ékspérimén sorangan sareng nyebarkeun hasil ékspérimén g-2 na di 2004. Pangukuran henteu sapertos anu diprediksi Model Standar. Sanajan kitu, percobaan teu ngumpulkeun data cukup pikeun analisis statistik conclusively ngabuktikeun yén nilai diukur éta memang béda jeung teu ngan turun naek statistik. Puseur panalungtikan séjén ayeuna ngalakonan percobaan anyar jeung g-2, sarta kami meureun bakal nyaho hasilna pas.

Aya anu langkung pikaresepeun tibatan ieu Kaon anomali i muon. Dina 2015, percobaan ngeunaan buruk beryllium 8Be némbongkeun hiji anomali. Élmuwan di Hungaria ngagunakeun detektor maranéhanana. Nanging, saliwatan, aranjeunna mendakan atanapi panginten aranjeunna mendakan, anu nunjukkeun ayana kakuatan dasar kalima alam.

Fisikawan ti Universitas California janten kabetot dina pangajaran. Aranjeunna ngusulkeun yén fenomena disebut anomali atom, ieu disababkeun ku partikel lengkep anyar, nu sakuduna dituju mawa gaya kalima alam. Disebut X17 sabab massana saluyu jeung kira-kira 17 juta volt éléktron. Ieu 30 kali massa hiji éléktron, tapi kirang ti massa hiji proton. Sareng cara X17 kalakuan sareng proton mangrupikeun salah sahiji fitur anu paling anéh - nyaéta, éta henteu berinteraksi sareng proton pisan. Sabalikna, éta berinteraksi sareng éléktron atanapi neutron anu bermuatan négatif, anu henteu aya muatan sama sekali. Hal ieu ngajadikeun hésé pikeun nyocogkeun partikel X17 kana Modél Standar urang ayeuna. Bosons pakait sareng gaya. Gluon dipatalikeun jeung gaya kuat, boson jeung gaya lemah, jeung foton jeung éléktromagnétisme. Malah aya hiji boson hypothetical pikeun gravitasi disebut graviton a. Salaku boson, X17 bakal mawa kakuatan sorangan, sapertos anu dugi ka ayeuna tetep misteri pikeun urang sareng tiasa janten.

Alam semesta sareng arah anu dipikaresepna?

Dina makalah anu diterbitkeun April ieu dina jurnal Science Advances, para ilmuwan di Universitas New South Wales di Sydney ngalaporkeun yén pangukuran cahaya anyar anu dipancarkeun ku quasar 13 milyar taun cahaya jauh mastikeun studi saméméhna anu mendakan variasi leutik dina struktur konstanta anu saé. tina jagat raya. Professor John Webb ti UNSW (6) ngécéskeun yén konstanta struktur rupa "mangrupakeun kuantitas nu fisikawan ngagunakeun salaku ukuran tina gaya éléktromagnétik." gaya éléktromagnétik ngajaga éléktron sabudeureun inti dina unggal atom di jagat raya. Tanpa éta, sagala masalah bakal ancur. Nepi ka ayeuna, éta dianggap gaya konstan dina waktu jeung spasi. Tapi dina panalungtikanana salila dua dekade kaliwat, Professor Webb geus noticed hiji anomali dina struktur rupa padet nu gaya éléktromagnétik, diukur dina hiji arah dipilih di jagat raya, salawasna sigana rada béda.

"" ngajelaskeun Webb. Inconsistencies henteu muncul dina pangukuran tim Australia, tapi dina ngabandingkeun hasilna sareng seueur pangukuran cahaya quasar anu sanés ku élmuwan sanés.

"" nyebutkeun Professor Webb. "". Numutkeun anjeunna, hasil sigana nunjukkeun yén meureun aya arah anu dipikaresep di jagat raya. Dina basa sejen, jagat raya bakal dina sababaraha harti boga struktur dipol.

"" Nyebutkeun élmuwan ngeunaan anomali ditandaan.

Ieu hiji deui hal: tinimbang naon anu dianggap distribusi acak galaksi, quasars, awan gas jeung planét kalayan kahirupan, Alam Semesta dumadakan boga pasangan kalér jeung kidul. Professor Webb nyaeta Tapi siap ngaku yén hasil pangukuran ku élmuwan dilumangsungkeun dina tahap béda ngagunakeun téhnologi béda jeung ti tempat béda di Bumi sabenerna kabeneran badag.

Webb nunjuk kaluar yén lamun aya directionality di jagat raya, sarta lamun éléktromagnétik tétéla rada béda di wewengkon nu tangtu kosmos, konsép nu paling fundamental balik loba fisika modern bakal perlu revisited. "", nyarita. Modél ieu dumasar kana téori gravitasi Einstein, anu sacara eksplisit nganggap konsistensi hukum alam. Sareng upami henteu, maka ... pamikiran pikeun ngarobih sadayana gedong fisika matak narik ati.