Физикаи нав аз бисёр ҷойҳо медурахшад

Ҳама тағироти имконпазире, ки мо мехоҳем ба Модели стандартии физика (1) ё нисбияти умумӣ ворид кунем, ду назарияи беҳтарини мо (ҳарчанд номувофиқ) дар бораи коинот аллакай хеле маҳдуданд. Ба ибораи дигар, шумо наметавонед чизи зиёдеро тағир диҳед, бидуни вайрон кардани тамоми.

Гап дар сари он аст, ки натичахо ва ходисахое низ хастанд, ки онхоро дар асоси моделхои ба мо маълум шарх додан мумкин нест. Пас, мо бояд аз роҳи худ берун равем, то ҳама чизро ба ҳар нархе, ки ба назарияҳои мавҷуда мувофиқат намекунад, нофаҳмо ё номувофиқ гардонем ё бояд назарияҳои навро ҷустуҷӯ кунем? Ин яке аз саволҳои асосии физикаи муосир аст.

Модели стандартии физикаи заррачаҳо ҳама таъсироти маълум ва кашфшудаи байни зарраҳоро, ки то ҳол мушоҳида шуда буданд, бомуваффақият шарҳ дод. Коинот аз он иборат аст кваркҳо, лептонов ва бозонҳои ченкунанда, ки аз чаҳор қувваи асосии табиат сеторо интиқол медиҳанд ва ба зарраҳо массаи оромии худро медиҳанд. Инчунин нисбияти умумӣ вуҷуд дорад, ки мо, мутаассифона, назарияи квантии ҷозиба нест, ки муносибати байни вақт-фазо, материя ва энергияро дар коинот тавсиф мекунад.

Мушкилии фаротар аз ин ду назария дар он аст, ки агар шумо кӯшиш кунед, ки онҳоро тавассути ворид кардани унсурҳо, мафҳумҳо ва миқдорҳои нав тағир диҳед, шумо натиҷаҳое хоҳед гирифт, ки ба андозагирӣ ва мушоҳидаҳое, ки аллакай дорем, мухолифанд. Инчунин бояд дар хотир дошт, ки агар шумо хоҳед, ки аз доираи илмии ҳозираи мо берун шавед, бори исбот хеле бузург аст. Аз тарафи дигар, аз касе, ки моделҳои даҳсолаҳо озмуда ва санҷидашударо вайрон мекунад, ин қадар зиёд интизор шудан душвор аст.

Дар шароити чунин талабот, тааҷҷубовар нест, ки базӯр касе кӯшиш мекунад, ки парадигмаи мавҷудаи физикаро комилан зери шубҳа гузорад. Ва агар ин тавр бошад, он ба таври ҷиддӣ қабул карда намешавад, зеро он дар санҷишҳои оддӣ зуд пешпо мехӯрад. Ҳамин тавр, агар мо сӯрохиҳои эҳтимолиро бубинем, пас инҳо танҳо рефлекторҳо мебошанд, ки сигнал медиҳанд, ки чизе дар ҷое медурахшад, аммо маълум нест, ки оё ба он ҷо рафтан лозим аст ё на.

Физикаи маълум коинотро идора карда наметавонад

Намунаҳои дурахшони ин "комилан нав ва гуногун"? Хуб, масалан, мушоҳидаҳои суръати бозгашт, ки ба изҳорот дар бораи он, ки коинот танҳо аз зарраҳои модели стандартӣ пур аст ва ба назарияи нисбияти умумӣ итоат мекунад, мувофиқат намекунад. Мо медонем, ки сарчашмаҳои алохидаи ҷозиба, галактикаҳо, кластерҳои галактикаҳо ва ҳатто торҳои бузурги кайҳонӣ барои шарҳ додани ин падида кофӣ нестанд. Мо медонем, ки гарчанде ки Модели стандартӣ мегӯяд, ки материя ва антиматерия бояд ба миқдори баробар сохта ва нобуд карда шаванд, мо дар коинот зиндагӣ мекунем, ки асосан аз материя бо миқдори ками антиматтер иборат аст. Ба ибораи дигар, мо мебинем, ки "физикаи маълум" ҳар чизеро, ки мо дар коинот мебинем, шарҳ дода наметавонад.

Бисёр таҷрибаҳо натиҷаҳои ғайричашмдошт доданд, ки агар дар сатҳи баландтар санҷида шаванд, метавонанд инқилобӣ бошанд. Ҳатто ба ном аномалияи атомӣ, ки мавҷудияти зарраҳоро нишон медиҳад, метавонад хатои таҷрибавӣ бошад, аммо он инчунин метавонад аломати берун рафтан аз Модели Стандарт бошад. Усулҳои гуногуни ченкунии коинот барои суръати васеъшавии он арзишҳои гуногун медиҳанд - мушкилоте, ки мо онро дар яке аз масъалаҳои охирини МТ муфассал баррасӣ кардем.

Бо вуҷуди ин, ҳеҷ яке аз ин аномалияҳо натиҷаҳои кофӣ боварибахш намедиҳанд, ки аломати раднашавандаи физикаи нав ҳисобида шавад. Ҳар як ё ҳамаи инҳо метавонанд танҳо тағирёбии оморӣ ё асбоби нодуруст калибровкашуда бошанд. Бисёре аз онҳо метавонанд ба физикаи нав ишора кунанд, аммо онҳоро бо истифода аз зарраҳо ва падидаҳои маълум дар заминаи нисбии умумӣ ва Модели стандартӣ ба осонӣ шарҳ додан мумкин аст.

Мо нақша дорем, ки озмоиш кунем, бо умеди натиҷаҳо ва тавсияҳои равшантар. Мо ба зудӣ метавонем бубинем, ки энергияи торик арзиши доимӣ дорад. Бар асоси таҳқиқоти нақшавии галактикаи расадхонаи Вера Рубин ва маълумот дар бораи суперноваҳои дур, ки дар оянда дастрас хоҳанд шуд. телескопи Нэнси Грейс, қаблан WFIRST, мо бояд бифаҳмем, ки энергияи торик бо мурури замон то дар ҳудуди 1% таҳаввул мекунад. Агар ин тавр бошад, пас модели «стандартии» космологии моро тагьир додан лозим меояд. Мумкин аст, ки мавҷгири лазерии интерферометрии кайҳонӣ (LISA) аз рӯи нақша низ ба мо сюрпризҳо диҳад. Хулоса, мо ба мошинҳои мушоҳида ва таҷрибаҳое, ки ба нақша гирифтаем, умед мебандем.

Мо холо хам дар сохаи физикаи хиссачахо кор карда истодаем, ба умеди он ки ходисахои берун аз Модель пайдо шаванд, ба монанди ченкунии аниктари моменти магнитии электрон ва мюон — агар онхо розй нашаванд, физикаи нав пайдо мешавад. Мо кор карда истодаем, ки онҳо чӣ гуна тағир меёбанд нейтрино — дар ин чо хам физикаи нав равшан мешавад. Ва агар мо як коллайдери дақиқи электрон-позитронӣ, даврашакл ё хатӣ созем (2), мо метавонем чизҳоеро, ки берун аз Модели стандартӣ ҳастанд, кашф кунем, ки LHC ҳанӯз онҳоро муайян карда наметавонад. Дар олами физика кайхо боз версияи калонтари LHC бо гардиши то 100 километр пешнињод карда шудааст. Ин энергияи баландтари бархӯрд ба вуҷуд меовард, ки ба гуфтаи бисёре аз физикҳо, дар ниҳоят аз падидаҳои нав шаҳодат медиҳанд. Вале ин маб-лаги нихоят гаронбахо буда, танхо аз руи принцип — «биёед онро созему бубинем, ки вай ба мо чй нишон медихад» сохтани иншооти бузург шубхахои зиёдеро ба миён меорад.

2. Коллайдери лептонии хатӣ - визуализатсия

Дар илми физика ду намуди муносибат ба масъалаҳо вуҷуд дорад. Якум, як усули мураккаб аст, ки аз тарҳи танги таҷриба ё расадхона барои ҳалли масъалаи мушаххас иборат аст. Усули дуюмро усули қувваи бераҳмона меноманд.ки тачриба ё расадхонаи универсалии сархаддихандаро барои азхуд кардани коинот назар ба равишхои пештараи мо ба таври тамоман нав кор карда мебарояд. Аввалин ба модели стандартӣ беҳтар нигаронида шудааст. Дуюм ба шумо имкон медиҳад, ки осори чизи бештареро пайдо кунед, аммо, мутаассифона, ин чизе дақиқ муайян карда нашудааст. Ҳамин тариқ, ҳарду усул камбудиҳои худро доранд.

Ҷустуҷӯ кунед, ки ба истилоҳ назарияи ҳама чиз (TUT), ки риштаи муқаддаси физика аст, бояд дар категорияи дуюм ҷойгир карда шавад, зеро аксар вақт ин ба дарёфти энергияҳои олӣ ва олӣ дахл дорад (3), ки дар он қувваҳои табиат дар ниҳоят ба як таъсири мутақобила муттаҳид мешаванд.

3. Энергияҳое, ки барои муттаҳидсозии гипотетикии таъсири мутақобила заруранд

Нейтрино Нисфорн

Вақтҳои охир, илм бештар ба самтҳои ҷолибтар, ба монанди тадқиқоти нейтрино, ки мо ба наздикӣ дар МТ гузориши васеъ нашр кардем, тамаркуз карда мешавад. Моҳи феврали соли 2020 маҷаллаи Astrophysical Journal нашрияеро дар бораи кашфи нейтриноҳои баландэнергетикии пайдоиши номаълум дар Антарктида нашр кард. Илова ба озмоиши маъруф, тадқиқот дар қитъаи шабнам бо номи рамзи ANITA (), ки аз баровардани пуфак бо сенсор иборат буд, гузаронида шуд. мавҷҳои радио.

Ҳарду ва ANITA барои ҷустуҷӯи мавҷҳои радио аз нейтриноҳои энергияи баланд бо моддаи сахте, ки яхро ташкил медиҳанд, тарҳрезӣ шудаанд. Ави Лоеб, раиси Департаменти астрономияи Ҳарвард, дар вебсайти Салон шарҳ дод: "Ҳодисаҳои муайянкардаи ANITA бешубҳа як аномалия ба назар мерасанд, зеро онҳоро ҳамчун нейтрино аз манбаъҳои астрофизикӣ шарҳ додан мумкин нест. (...) Ин метавонад як навъ заррае бошад, ки нисбат ба нейтрино бо материяи оддӣ заифтар амал мекунад. Мо гумон дорем, ки чунин зарраҳо ҳамчун материяи торик вуҷуд доранд. Аммо чӣ рӯйдодҳои ANITA-ро ин қадар пурқувват мегардонад?»

Нейтрино ягона зарраҳое мебошанд, ки маълуманд, ки модели стандартиро вайрон кардаанд. Тибқи Модели стандартии заррачаҳои элементарӣ мо бояд се намуди нейтрино (электронӣ, мюон ва тау) ва се намуди антинейтрино дошта бошем ва пас аз ташаккули онҳо бояд устувор ва аз ҷиҳати хосиятҳояшон бетағйир бошанд. Аз солҳои 60-ум, вақте ки аввалин ҳисобҳо ва андозагирии нейтриноҳои аз ҷониби Офтоб тавлидшуда пайдо шуданд, мо фаҳмидем, ки мушкилот вуҷуд дорад. Мо медонистем, ки дар чанд нейтринои электронӣ ба вуҷуд омадаанд ядрои офтобӣ. Аммо вақте ки мо чен кардем, ки чанд нафар омадаанд, мо танҳо сеяки шумораи пешбинишударо дидем.

Ё дар детекторҳои мо чизе нодуруст аст, ё дар модели Офтоб чизе нодуруст аст ё дар худи нейтриноҳо чизе нодуруст аст. Таҷрибаҳои реакторӣ тасаввуротеро, ки дар детекторҳои мо чизе нодуруст аст, зуд рад карданд (4). Онҳо тавре ки интизор буданд, кор карданд ва иҷрои онҳо хеле хуб баҳо дода шуд. Нейтриноҳое, ки мо ошкор кардем, мутаносибан ба шумораи нейтриноҳои расида ба қайд гирифта шуданд. Дар тӯли даҳсолаҳо, бисёр астрономҳо баҳс мекарданд, ки модели офтобии мо нодуруст аст.

4. Тасвири ҳодисаҳои нейтрино дар радиатсияи Черенков аз детектори Super Kamiokande

Албатта, боз як эҳтимолияти экзотикӣ вуҷуд дошт, ки агар дуруст бошад, фаҳмиши моро дар бораи коинот аз он чизе ки Модели Стандарт пешгӯӣ карда буд, тағир диҳад. Идеяи он аст, ки се намуди нейтрино, ки мо медонем, воқеан масса доранд, на лоғар, ва онҳо метавонанд омехта (тағйирёбанда) барои тағир додани мазза, агар онҳо энергияи кофӣ дошта бошанд. Агар нейтрино ба таври электронӣ ба кор андохта шавад, он метавонад дар тӯли роҳ тағир ёбад мюон i таоноваммо ин танхо дар вакте ки вай масса дорад. Олимон аз проблемаи нейтринохои рост ва чап ба ташвиш омадаанд. Зеро агар шумо онро фарқ карда натавонед, шумо наметавонед фарқ кунед, ки он зарра аст ё антизарра.

Оё нейтрино метавонад антизаррачаи худ бошад? На аз рӯи модели муқаррарии стандартӣ. Фермионҳоумуман онхо набояд зидди заррахои худ бошанд. Фермион ҳама гуна заррае мебошад, ки гардиши ± XNUMX/XNUMX аст. Ба ин категория ҳама кваркҳо ва лептонҳо, аз ҷумла нейтриноҳо дохил мешаванд. Аммо як навъи махсуси фермионҳо вуҷуд доранд, ки то ҳол танҳо дар назария вуҷуд доранд - фермиони майорана, ки антизаррачаи худ аст. Агар он вуҷуд дошта бошад, шояд чизи махсусе рӯй диҳад ... нейтрино озод таназзули дукаратаи бета. Ва дар ин ҷо барои таҷрибаомӯзон, ки кайҳо боз чунин холигоҳро меҷӯянд, имкон дорад.

Дар ҳама равандҳои мушоҳидашуда, ки бо нейтрино иштирок мекунанд, ин зарраҳо хосиятеро нишон медиҳанд, ки онро физикҳо чапдастӣ меноманд. Нейтриноҳои ростдаст, ки тамдиди табиии модели стандартӣ мебошанд, дар ҳеҷ ҷо дида намешаванд. Ҳама зарраҳои дигари MS версияи ростдаст доранд, аммо нейтриноҳо надоранд. Чаро? Тахлили охирини нихоят мукаммали гурухи байналхалкии физикхо, аз чумла Институти физикаи ядроии Академияи илмхои Польша (IFJ PAN) дар Краков, оид ба ин масъала тадкикот анчом дод. Олимон боварӣ доранд, ки набудани мушоҳидаи нейтриноҳои ростдаст метавонад исбот кунад, ки онҳо фермионҳои майорана мебошанд. Агар онҳо мебуданд, пас версияи рости онҳо бениҳоят калон аст, ки мушкилии ошкорро шарҳ медиҳад.

Бо вуҷуди ин, мо то ҳол намедонем, ки нейтриноҳо худи антизарра мебошанд. Мо намедонем, ки онҳо массаи худро аз пайвасти хеле заиф бозони Хиггс ба даст меоранд ё тавассути ягон механизми дигар. Ва мо намедонем, шояд бахши нейтрино назар ба он ки мо фикр мекунем, хеле мураккабтар аст ва нейтриноҳои безарар ё вазнин дар торикӣ мепӯшанд.

Атомҳо ва дигар аномалияҳо

Дар физикаи заррачаҳои элементарӣ, гайр аз нейтриноҳои муд, дигар соҳаҳои камтар маълуми тадқиқот вуҷуд доранд, ки аз онҳо «физикаи нав» метавонад дурахшид. Масалан, олимон ба наздикӣ як намуди нави заррачаҳои субатомӣ пешниҳод карданд, то фаҳмондадиҳии пурасрорро пешниҳод кунанд. парокандашавӣ ҳамчун (5), ҳолати махсуси заррачаи мезони иборат аз як кварк i як фурӯшандаи антиқа. Вақте ки зарраҳои каон пӯсида мешаванд, як қисми хурди онҳо тағиротро аз сар мегузаронанд, ки олимонро ба ҳайрат овард. Тарзи ин таназзул метавонад намуди нави зарра ё қувваи нави ҷисмониро дар кор нишон диҳад. Ин берун аз доираи Модели Стандарт аст.

Барои дарёфти камбудиҳо дар модели стандартӣ таҷрибаҳои бештар вуҷуд доранд. Ба инхо чустучуи муонхои g-2 дохил мешаванд. Тақрибан сад сол пеш, физик Пол Дирак лаҳзаи магнитии электронро бо истифода аз g, рақаме, ки хосиятҳои спинии зарраро муайян мекунад, пешгӯӣ карда буд. Баъд ченкунихо нишон доданд, ки «г» аз 2 андаке фарк дорад ва физикхо барои омухтани сохти дохилии заррачахои субатомй ва умуман конунхои физика фарки байни арзиши аслии «г» ва 2-ро истифода бурданд. Дар соли 1959 CERN дар Женеваи Швейтсария аввалин озмоишеро анҷом дод, ки арзиши g-2-и заррачаи субатомӣ бо номи мюон, ки ба электрон пайваст, вале ноустувор ва аз зарраҳои элементарӣ 207 маротиба вазнинтар аст, чен кард.

Лабораторияи Миллии Брукхавен дар Ню Йорк таҷрибаи худро оғоз кард ва натиҷаҳои таҷрибаи G-2-ро дар соли 2004 нашр кард. Андоза он чизе набуд, ки Модели Стандарт пешгӯӣ кардааст. Бо вуҷуди ин, таҷриба барои таҳлили оморӣ маълумоти кофӣ ҷамъоварӣ накардааст, то ба таври қатъӣ исбот кунад, ки арзиши ченшуда воқеан гуногун аст ва на танҳо тағирёбии оморӣ. Дигар марказҳои тадқиқотӣ ҳоло бо g-2 таҷрибаҳои нав мегузаронанд ва мо эҳтимолан натиҷаҳои онро ба зудӣ хоҳем фаҳмид.

Чизи ҷолибтар аз ин вуҷуд дорад Аномалияҳои Каон i мюон. Дар соли 2015 таҷриба оид ба пӯсидаи бериллий 8Бе аномалия нишон дод. Олимони Венгрия аз детектори худ истифода мебаранд. Аммо, ногуфта намонад, ки онҳо кашф карданд ё гумон карданд, ки кашф карданд, ки мавҷудияти қувваи панҷуми асосии табиатро нишон медиҳад.

Физикхои университети Калифорния ба тадкикот шавку хаваси калон пайдо карданд. Онҳо пешниҳод карданд, ки падида ном дорад аномалияи атомӣ, аз заррачаи тамоман нав ба вучуд омад, ки вай бояд кувваи панчуми табиатро мебурд. Он X17 номида мешавад, зеро вазни мувофиқи он тақрибан 17 миллион электрон-волтро ташкил медиҳад. Ин 30 маротиба аз массаи электрон аст, аммо камтар аз массаи протон. Ва тарзи рафтори X17 бо протон яке аз хусусиятҳои аҷиби он аст - яъне он бо протон умуман ҳамкорӣ намекунад. Ба ҷои ин, он бо як электрон ё нейтрони манфии заряднок, ки тамоман заряд надорад, мутақобила мекунад. Ин ҷойгир кардани заррачаи X17-ро ба Модели ҳозираи стандартии мо мушкил мекунад. Бозонҳо бо қувваҳо алоқаманданд. Глюонҳо бо қувваи қавӣ, бозонҳо бо қувваи заиф ва фотонҳо бо электромагнетизм алоқаманданд. Ҳатто бозони гипотетикӣ барои ҷозиба вуҷуд дорад, ки гравитон ном дорад. Ҳамчун бозон, X17 қувваи ба худ хосе хоҳад дошт, ба монанди он чизе, ки то ҳол барои мо асрор буд ва метавонад бошад.

Коинот ва самти афзалиятноки он?

Дар як мақолае, ки моҳи апрели соли ҷорӣ дар маҷаллаи Science Advances нашр шуд, олимони Донишгоҳи Нави Ҷанубии Уэлси Сидней гузориш доданд, ки ченакҳои нави нуре, ки аз квазар аз 13 миллиард соли рӯшноӣ дуртар мефурӯшад, таҳқиқоти қаблиро тасдиқ мекунанд, ки дар сохтори хуби доимӣ тағйироти хурд пайдо кардаанд. аз коинот. Профессор Ҷон Вебб аз UNSW (6) мефаҳмонад, ки доимии сохтори ҷарима "як миқдорест, ки физикҳо ҳамчун ченаки қувваи электромагнитӣ истифода мебаранд." қувваи электромагнитӣ электронҳоро дар атрофи ядроҳо дар ҳар як атоми коинот нигоҳ медорад. Бе он, тамоми материя аз байн меравад. То вактхои охир вай дар вакт ва фазо кувваи доимй хисоб мешуд. Аммо дар таҳқиқоти худ дар тӯли ду даҳсолаи охир, профессор Уэбб як аномалияро дар сохтори сахти сахт мушоҳида кард, ки дар он қувваи электромагнитӣ, ки дар як самти интихобшуда дар коинот чен карда мешавад, ҳамеша каме фарқ мекунад.

"" мефаҳмонад Уэбб. Ин номувофиқатӣ на дар ченакҳои гурӯҳи австралиягӣ, балки дар муқоисаи натиҷаҳои онҳо бо ченакҳои зиёди нури квазарии олимони дигар пайдо шуданд.

"" мегӯяд профессор Уэбб. "". Ба ақидаи ӯ, натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки шояд дар коинот як самти афзалиятнок вуҷуд дошта бошад. Ба ибораи дигар, коинот ба ягон маъно сохтори диполӣ хоҳад дошт.

"" мегӯяд олим дар бораи аномалияҳои қайдшуда.

Ин як чизи дигар аст: ба ҷои он ки паҳншавии тасодуфии галактикаҳо, квазарҳо, абрҳои газӣ ва сайёраҳо бо ҳаёт аст, коинот ногаҳон ҳамтои шимолӣ ва ҷанубӣ пайдо мекунад. Профессор Уэбб бо вуҷуди ин омода аст эътироф кунад, ки натиҷаҳои ченкуниҳои олимон дар марҳилаҳои гуногун бо истифода аз технологияҳои гуногун ва аз ҷойҳои гуногуни рӯи Замин дар ҳақиқат як тасодуфи бузурганд.

Уэбб қайд мекунад, ки агар дар коинот самт вуҷуд дошта бошад ва агар электромагнетизм дар баъзе минтақаҳои кайҳон каме фарқ кунад, бунёдтарин мафҳумҳои паси қисми зиёди физикаи муосир бояд аз нав дида шаванд. "", сухан мегӯяд. Модели мазкур ба назарияи ҷозибаи Эйнштейн асос ёфтааст, ки он ба таври возеҳ устувории қонунҳои табиатро пешбинӣ мекунад. Ва агар не, пас ... фикр дар бораи табдил додани тамоми бинои физика ҳайратангез аст.