فیزیک جدید از جاهای مختلف می درخشد

هر تغییر احتمالی که بخواهیم در مدل استاندارد فیزیک (1) یا نسبیت عام، دو نظریه برتر (هر چند ناسازگار) ما در مورد جهان، ایجاد کنیم، در حال حاضر بسیار محدود هستند. به عبارت دیگر، شما نمی توانید چیزهای زیادی را بدون تضعیف کل تغییر دهید.

واقعیت این است که نتایج و پدیده هایی نیز وجود دارد که نمی توان آنها را بر اساس مدل های شناخته شده برای ما توضیح داد. پس آیا باید تمام تلاش خود را بکنیم تا همه چیز را به هر قیمتی غیرقابل توضیح یا ناسازگار کنیم با تئوری های موجود سازگار کنیم یا باید به دنبال نظریه های جدید باشیم؟ این یکی از سوالات اساسی فیزیک مدرن است.

مدل استاندارد فیزیک ذرات با موفقیت تمام فعل و انفعالات شناخته شده و کشف شده بین ذرات را که تاکنون مشاهده شده است، توضیح داده است. جهان از تشکیل شده است کوارک ها, لپتونوف و بوزون های اندازه گیری، که سه نیروی از چهار نیروی اساسی در طبیعت را منتقل می کنند و به ذرات جرم استراحت می دهند. نسبیت عام نیز وجود دارد، متأسفانه ما یک نظریه کوانتومی گرانش نیست، که رابطه بین فضا-زمان، ماده و انرژی در جهان را توصیف می کند.

دشواری فراتر رفتن از این دو نظریه این است که اگر سعی کنید با معرفی عناصر، مفاهیم و کمیت های جدید آنها را تغییر دهید، نتایجی خواهید گرفت که با اندازه گیری ها و مشاهداتی که قبلاً داریم در تضاد است. همچنین لازم به یادآوری است که اگر می خواهید از چارچوب علمی فعلی ما فراتر بروید، بار اثبات بسیار زیاد است. از سوی دیگر، سخت است که از کسی که مدل‌های آزموده شده برای دهه‌ها را تضعیف می‌کند، انتظار زیادی نداشته باشیم.

در مواجهه با چنین خواسته هایی، عجیب نیست که به سختی کسی تلاش می کند تا پارادایم موجود در فیزیک را کاملاً به چالش بکشد. و اگر این کار را کرد، به هیچ وجه جدی گرفته نمی شود، زیرا به سرعت در چک های ساده تصادف می کند. بنابراین، اگر حفره‌های بالقوه را ببینیم، اینها فقط بازتابنده‌هایی هستند که نشان می‌دهند چیزی در جایی می‌درخشد، اما مشخص نیست که آیا اصلاً ارزش رفتن به آنجا را دارد یا خیر.

فیزیک شناخته شده نمی تواند جهان را اداره کند

نمونه هایی از درخشش این «کاملاً جدید و متفاوت»؟ خوب، برای مثال، مشاهدات نرخ پس زدگی، که به نظر می رسد با این جمله که جهان فقط از ذرات مدل استاندارد پر شده است و از نظریه نسبیت عام پیروی می کند، ناسازگار است. می دانیم که منابع مجزای گرانش، کهکشان ها، خوشه های کهکشان و حتی شبکه بزرگ کیهانی برای توضیح این پدیده، شاید کافی نیست. می دانیم که اگرچه مدل استاندارد بیان می کند که ماده و پادماده باید به مقدار مساوی ایجاد و از بین بروند، ما در جهانی زندگی می کنیم که عمدتاً از ماده با مقدار کمی پادماده تشکیل شده است. به عبارت دیگر، می بینیم که «فیزیک شناخته شده» نمی تواند هر چیزی را که در جهان می بینیم توضیح دهد.

بسیاری از آزمایش‌ها نتایج غیرمنتظره‌ای داشته‌اند که اگر در سطح بالاتر آزمایش شوند، می‌توانند انقلابی باشند. حتی به اصطلاح ناهنجاری اتمی که وجود ذرات را نشان می دهد می تواند یک خطای تجربی باشد، اما همچنین می تواند نشانه ای از فراتر رفتن از مدل استاندارد باشد. روش‌های مختلف اندازه‌گیری کیهان مقادیر متفاوتی برای سرعت انبساط آن می‌دهد - مشکلی که در یکی از شماره‌های اخیر MT به تفصیل آن را بررسی کردیم.

با این حال، هیچ یک از این ناهنجاری ها به اندازه کافی نتایج قانع کننده ای به دست نمی دهد که بتوان آن را نشانه ای غیرقابل انکار از فیزیک جدید دانست. هر یک یا همه اینها ممکن است به سادگی نوسانات آماری یا یک ابزار کالیبره نادرست باشد. بسیاری از آنها ممکن است به فیزیک جدید اشاره کنند، اما می توان آنها را به همین راحتی با استفاده از ذرات و پدیده های شناخته شده در زمینه نسبیت عام و مدل استاندارد توضیح داد.

ما قصد داریم آزمایش کنیم، به امید نتایج و توصیه های واضح تر. ممکن است به زودی ببینیم که آیا انرژی تاریک مقدار ثابتی دارد یا خیر. بر اساس مطالعات برنامه ریزی شده کهکشانی توسط رصدخانه ورا روبین و داده هایی درباره ابرنواخترهای دوردست که در آینده در دسترس قرار خواهند گرفت. تلسکوپ نانسی گریس، قبلاً WFIRST بود، ما باید بفهمیم که آیا انرژی تاریک با گذشت زمان تا 1٪ تکامل می یابد. اگر چنین است، پس مدل کیهانی "استاندارد" ما باید تغییر کند. این امکان وجود دارد که آنتن تداخل سنج لیزری فضایی (LISA) از نظر پلان نیز ما را شگفت‌زده کند. به طور خلاصه، ما روی وسایل مشاهده و آزمایش هایی که در حال برنامه ریزی هستیم حساب می کنیم.

ما همچنین هنوز در زمینه فیزیک ذرات کار می کنیم، به امید پیدا کردن پدیده هایی خارج از مدل، مانند اندازه گیری دقیق تر گشتاورهای مغناطیسی الکترون و میون - اگر آنها موافق نباشند، فیزیک جدید ظاهر می شود. ما در حال کار هستیم تا بفهمیم آنها چگونه نوسان می کنند نوترینو - در اینجا نیز فیزیک جدید می درخشد. و اگر یک برخورددهنده الکترون-پوزیترون دقیق، دایره ای یا خطی (2) بسازیم، می توانیم چیزهایی فراتر از مدل استاندارد را شناسایی کنیم که LHC هنوز نمی تواند آنها را تشخیص دهد. در دنیای فیزیک، نسخه بزرگتر LHC با محیطی تا 100 کیلومتر از مدت ها قبل پیشنهاد شده است. این انرژی‌های برخورد بالاتری را به همراه خواهد داشت، که به گفته بسیاری از فیزیکدانان، در نهایت نشانه‌ای از پدیده‌های جدید خواهد بود. با این حال، این یک سرمایه گذاری بسیار گران است و ساخت یک غول فقط بر اساس اصل - "بیایید آن را بسازیم و ببینیم چه چیزی به ما نشان می دهد" شک و تردیدهای زیادی را ایجاد می کند.

2. برخورد دهنده خطی لپتون - تجسم

دو نوع رویکرد به مسائل در علم فیزیک وجود دارد. اولی یک رویکرد پیچیده استکه شامل طراحی باریک یک آزمایش یا یک رصدخانه برای حل یک مسئله خاص است. روش دوم روش brute force نام دارد.که یک آزمایش یا رصدخانه جهانی و مرزی را ایجاد می کند تا جهان را به روشی کاملاً جدید نسبت به رویکردهای قبلی ما کشف کند. اولی در مدل استاندارد جهت گیری بهتری دارد. دومی به شما امکان می دهد ردپای چیزی بیشتر را پیدا کنید، اما، متأسفانه، این چیزی دقیقاً تعریف نشده است. بنابراین، هر دو روش معایب خود را دارند.

به دنبال نظریه همه چیز (TUT)، جام مقدس فیزیک، باید در دسته دوم قرار گیرد، زیرا اغلب به یافتن انرژی های بالاتر و بالاتر (3) مربوط می شود، که در آن نیروهای طبیعت در نهایت در یک تعامل ترکیب می شود.

3. انرژی های مورد نیاز برای یکسان سازی فرضی تعاملات

نوترینو نیسفورن

اخیراً علم بیشتر و بیشتر بر حوزه‌های جالب‌تری مانند تحقیقات نوترینو متمرکز شده است، که اخیراً گزارش گسترده‌ای را در MT منتشر کردیم. در فوریه 2020، مجله Astrophysical نشریه ای در مورد کشف نوترینوهای پرانرژی با منشأ ناشناخته در قطب جنوب منتشر کرد. علاوه بر آزمایش معروف، تحقیقاتی نیز در قاره یخبندان با نام رمز ANITA () انجام شد که شامل رهاسازی یک بالون با یک حسگر بود. امواج رادیویی.

هر دو و ANITA برای جستجوی امواج رادیویی از نوترینوهای پرانرژی که با ماده جامد تشکیل دهنده یخ برخورد می کنند طراحی شده اند. آوی لوب، رئیس دپارتمان ستاره شناسی هاروارد، در وب سایت Salon توضیح داد: «رویدادهایی که توسط ANITA شناسایی شده است، مطمئناً یک ناهنجاری به نظر می رسند، زیرا نمی توان آنها را به عنوان نوترینو از منابع اخترفیزیکی توضیح داد. (...) این می تواند نوعی ذره باشد که ضعیف تر از یک نوترینو با ماده معمولی برهمکنش می کند. ما گمان می کنیم که چنین ذرات به عنوان ماده تاریک وجود دارند. اما چه چیزی رویدادهای ANITA را اینقدر پر انرژی می کند؟

نوترینوها تنها ذرات شناخته شده ای هستند که مدل استاندارد را نقض کرده اند. طبق مدل استاندارد ذرات بنیادی، باید سه نوع نوترینو (الکترونیک، میون و تاو) و سه نوع پادنوترینو داشته باشیم و پس از تشکیل آنها باید از نظر خواص پایدار و بدون تغییر باشند. از دهه 60، زمانی که اولین محاسبات و اندازه گیری های نوترینوهای تولید شده توسط خورشید ظاهر شد، متوجه شدیم که مشکلی وجود دارد. ما می دانستیم که در چند الکترون نوترینو تشکیل شده است هسته خورشیدی. اما وقتی تعداد ورود را اندازه گرفتیم، فقط یک سوم عدد پیش بینی شده را دیدیم.

یا مشکلی در آشکارسازهای ما وجود دارد، یا در مدل خورشیدی ما مشکلی وجود دارد، یا در خود نوترینوها مشکلی وجود دارد. آزمایش‌های راکتور به سرعت این تصور را که مشکلی در آشکارسازهای ما وجود دارد، رد کرد (4). آنها همانطور که انتظار می رفت کار کردند و عملکرد آنها بسیار خوب بود. نوترینوهایی که ما شناسایی کردیم به نسبت تعداد نوترینوهای وارده ثبت شدند. برای چندین دهه، بسیاری از ستاره شناسان استدلال کرده اند که مدل خورشیدی ما اشتباه است.

4. تصاویری از رویدادهای نوترینو در تابش چرنکوف از آشکارساز Super Kamiokande

البته احتمال عجیب دیگری هم وجود داشت که اگر درست باشد، درک ما از جهان را با آنچه مدل استاندارد پیش‌بینی کرده بود تغییر می‌داد. ایده این است که سه نوع نوترینو که می شناسیم در واقع جرم دارند، نه لاغرو اینکه در صورت داشتن انرژی کافی می توانند برای تغییر طعم با هم مخلوط شوند (نوسان کنند). اگر نوترینو به صورت الکترونیکی تحریک شود، می تواند در طول مسیر تغییر کند میون i تاونوفاما این تنها زمانی امکان پذیر است که جرم داشته باشد. دانشمندان نگران مشکل نوترینوهای راست دست و چپ هستند. زیرا اگر نتوانید آن را تشخیص دهید، نمی توانید تشخیص دهید که ذره است یا پاد ذره.

آیا نوترینو می تواند پادذره خودش باشد؟ مطابق مدل استاندارد معمولی نیست. فرمیون هابه طور کلی آنها نباید ضد ذرات خودشان باشند. فرمیون هر ذره ای با چرخش ½ ± است. این دسته شامل تمام کوارک ها و لپتون ها از جمله نوترینوها می شود. با این حال، نوع خاصی از فرمیون ها وجود دارد که تاکنون فقط در تئوری وجود دارد - فرمیون Majorana که پادذره خودش است. اگر وجود داشت، ممکن بود اتفاق خاصی بیفتد... بدون نوترینو تجزیه بتا دو برابر. و در اینجا فرصتی برای آزمایشگرانی است که مدتهاست به دنبال چنین شکافی هستند.

در تمام فرآیندهای مشاهده شده مربوط به نوترینوها، این ذرات خاصیتی را نشان می دهند که فیزیکدانان آن را چپ دستی می نامند. نوترینوهای راست دست، که طبیعی ترین پسوند مدل استاندارد هستند، در هیچ کجا دیده نمی شوند. تمام ذرات دیگر ام اس نسخه راست دست دارند، اما نوترینوها این گونه نیستند. چرا؟ آخرین تجزیه و تحلیل بسیار جامع توسط یک تیم بین المللی از فیزیکدانان، از جمله موسسه فیزیک هسته ای آکادمی علوم لهستان (IFJ PAN) در کراکوف، تحقیقاتی را در مورد این موضوع انجام داده است. دانشمندان بر این باورند که عدم مشاهده نوترینوهای راست دست می تواند ثابت کند که آنها فرمیون های Majorana هستند. اگر آنها بودند، پس نسخه سمت راست آنها بسیار عظیم است، که دشواری تشخیص را توضیح می دهد.

با این حال، ما هنوز نمی دانیم که نوترینوها خود پادذره هستند یا خیر. ما نمی دانیم که آیا آنها جرم خود را از اتصال بسیار ضعیف بوزون هیگز به دست می آورند یا از طریق مکانیسم دیگری به دست می آورند. و ما نمی دانیم، شاید بخش نوترینو بسیار پیچیده تر از آن چیزی است که ما فکر می کنیم، با نوترینوهای استریل یا سنگین در کمین تاریکی.

اتم ها و سایر ناهنجاری ها

در فیزیک ذرات ابتدایی، علاوه بر نوترینوهای مد روز، حوزه های تحقیقاتی کمتر شناخته شده دیگری وجود دارد که «فیزیک جدید» می تواند از آنها بدرخشد. به عنوان مثال، دانشمندان اخیراً نوع جدیدی از ذرات زیراتمی را برای توضیح معما پیشنهاد کرده اند پوسیدگی کائون (5)، یک مورد خاص از یک ذره مزون متشکل از یک کوارک i یک فروشنده عتیقه. هنگامی که ذرات کائون تجزیه می شوند، بخش کوچکی از آنها دستخوش تغییراتی می شوند که دانشمندان را شگفت زده کرد. سبک این فروپاشی ممکن است نشان دهنده نوع جدیدی از ذرات یا نیروی فیزیکی جدیدی در کار باشد. این خارج از محدوده مدل استاندارد است.

آزمایش‌های بیشتری برای یافتن شکاف‌ها در مدل استاندارد وجود دارد. اینها شامل جستجوی میون g-2 است. تقریباً صد سال پیش، فیزیکدان پل دیراک، گشتاور مغناطیسی یک الکترون را با استفاده از g، عددی که خواص اسپینی یک ذره را تعیین می‌کند، پیش‌بینی کرد. سپس اندازه گیری ها نشان داد که "g" اندکی با 2 متفاوت است و فیزیکدانان شروع به استفاده از تفاوت بین مقدار واقعی "g" و 2 برای مطالعه ساختار داخلی ذرات زیراتمی و قوانین فیزیک به طور کلی کردند. در سال 1959، CERN در ژنو، سوئیس، اولین آزمایشی را انجام داد که مقدار g-2 یک ذره زیر اتمی به نام میون را اندازه گیری کرد که به یک الکترون متصل است اما ناپایدار و 207 برابر سنگین تر از یک ذره بنیادی است.

آزمایشگاه ملی بروکهاون در نیویورک آزمایش خود را آغاز کرد و نتایج آزمایش g-2 خود را در سال 2004 منتشر کرد. اندازه گیری آن چیزی نبود که مدل استاندارد پیش بینی کرده بود. با این حال، آزمایش داده‌های کافی برای تجزیه و تحلیل آماری جمع‌آوری نکرد تا به طور قطعی ثابت کند که مقدار اندازه‌گیری شده واقعاً متفاوت است و فقط یک نوسان آماری نیست. اکنون دیگر مراکز تحقیقاتی در حال انجام آزمایشات جدید با g-2 هستند و احتمالاً به زودی از نتایج آن مطلع خواهیم شد.

چیز جالب تر از این وجود دارد ناهنجاری های کائون i میون. در سال 2015، آزمایشی روی تجزیه بریلیوم 8Be یک ناهنجاری را نشان داد. دانشمندان در مجارستان از آشکارساز خود استفاده می کنند. با این حال، اتفاقاً آنها کشف کردند یا فکر کردند که کشف کرده اند، که حاکی از وجود پنجمین نیروی اساسی طبیعت است.

فیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیا به این مطالعه علاقه مند شدند. آنها پیشنهاد کردند که این پدیده نامیده می شود ناهنجاری اتم، توسط یک ذره کاملاً جدید ایجاد شد که قرار بود حامل پنجمین نیروی طبیعت باشد. X17 نامیده می شود زیرا جرم مربوط به آن تقریباً 17 میلیون الکترون ولت است. این 30 برابر جرم یک الکترون است، اما کمتر از جرم یک پروتون است. و نحوه رفتار X17 با یک پروتون یکی از عجیب ترین ویژگی های آن است - یعنی اصلاً با یک پروتون برهمکنش نمی کند. در عوض، با یک الکترون یا نوترون با بار منفی که اصلاً بار ندارد، تعامل دارد. این کار جا دادن ذره X17 را در مدل استاندارد فعلی ما دشوار می کند. بوزون ها با نیروها مرتبط هستند. گلوئون ها با نیروی قوی، بوزون ها با نیروی ضعیف و فوتون ها با الکترومغناطیس مرتبط هستند. حتی یک بوزون فرضی برای گرانش به نام گراویتون وجود دارد. به عنوان یک بوزون، X17 نیرویی خاص خود را حمل خواهد کرد، مانند نیرویی که تاکنون برای ما یک رمز و راز باقی مانده و می تواند باشد.

کیهان و جهت مطلوب آن؟

در مقاله‌ای که آوریل امسال در مجله Science Advances منتشر شد، دانشمندان دانشگاه نیو ساوت ولز در سیدنی گزارش دادند که اندازه‌گیری‌های جدید نور ساطع شده از یک اختروش در فاصله 13 میلیارد سال نوری، مطالعات قبلی را تأیید می‌کند که تغییرات کوچکی در ساختار ثابت ریز پیدا کرده بود. از کیهان پروفسور جان وب از UNSW (6) توضیح می دهد که ثابت ساختار ریز "کمیتی است که فیزیکدانان به عنوان اندازه گیری نیروی الکترومغناطیسی از آن استفاده می کنند." نیروی الکترومغناطیسی الکترون ها را در اطراف هسته های هر اتم در جهان حفظ می کند. بدون آن، همه مواد از هم می پاشید. تا همین اواخر، نیروی ثابتی در زمان و مکان به حساب می آمد. اما پروفسور وب در تحقیقات خود در دو دهه گذشته متوجه یک ناهنجاری در ساختار ریز جامد شده است که در آن نیروی الکترومغناطیسی که در یک جهت انتخاب شده در جهان اندازه‌گیری می‌شود، همیشه کمی متفاوت به نظر می‌رسد.

وب توضیح می دهد. این ناهماهنگی ها نه در اندازه گیری های تیم استرالیایی، بلکه در مقایسه نتایج آنها با بسیاری دیگر از اندازه گیری های نور کوازار توسط دانشمندان دیگر ظاهر شد.

پروفسور وب می گوید: «. "". به نظر او، نتایج به نظر می رسد نشان می دهد که ممکن است جهت ترجیحی در جهان وجود داشته باشد. به عبارت دیگر، جهان به نوعی ساختار دوقطبی خواهد داشت.

دانشمند در مورد ناهنجاری های مشخص شده می گوید.

این یک چیز دیگر است: به جای آنچه که تصور می شد گسترش تصادفی کهکشان ها، اختروش ها، ابرهای گازی و سیارات همراه با حیات باشد، جهان ناگهان یک همتای شمالی و جنوبی پیدا می کند. پروفسور وب با این حال آماده است بپذیرد که نتایج اندازه‌گیری‌های دانشمندان که در مراحل مختلف با استفاده از فناوری‌های مختلف و از مکان‌های مختلف روی زمین انجام شده‌اند، در واقع یک تصادف بزرگ است.

وب اشاره می کند که اگر جهت گیری در جهان وجود داشته باشد، و اگر مشخص شود که الکترومغناطیس در مناطق خاصی از کیهان کمی متفاوت است، اساسی ترین مفاهیم پشت بسیاری از فیزیک مدرن باید مورد بازنگری قرار گیرند. ""، صحبت می کند. این مدل بر اساس نظریه گرانش اینشتین است که به صراحت قوانین طبیعت را ثابت می‌کند. و اگر نه، پس ... فکر برگرداندن کل بنای فیزیک نفس گیر است.