Шинэ физик олон газраас гэрэлтэж байна

Орчлон ертөнцийн хоёр шилдэг (харьцангуй ч) онол болох физикийн стандарт загвар (1) эсвэл харьцангуйн ерөнхий онолд бидний хийх боломжтой аливаа өөрчлөлтүүд аль хэдийн хязгаарлагдмал байна. Өөрөөр хэлбэл, бүхэл бүтэн байдлыг алдагдуулахгүйгээр ихийг өөрчилж чадахгүй.

Бидний мэддэг загварт тулгуурлан тайлбарлах боломжгүй үр дүн, үзэгдлүүд бас байдаг нь баримт юм. Тэгэхээр бид ямар ч үнээр хамаагүй бүх зүйлийг тайлагдашгүй эсвэл нийцэхгүй болгохын тулд одоо байгаа онолуудтай нийцүүлэх ёстой юу эсвэл шинийг эрэлхийлэх ёстой юу? Энэ бол орчин үеийн физикийн үндсэн асуултуудын нэг юм.

Бөөмийн физикийн стандарт загвар нь урьд өмнө ажиглагдаж байсан бөөмс хоорондын бүх мэдэгдэж, нээсэн харилцан үйлчлэлийг амжилттай тайлбарласан. Орчлон ертөнц үүнээс бүрддэг кваркууд, лептонов мөн хэмжигч бозонууд нь байгалийн дөрвөн үндсэн хүчний гурвыг дамжуулж, бөөмсүүдэд тайван массыг өгдөг. Орчлон ертөнц дэх орон зай-цаг хугацаа, матери, энергийн хамаарлыг дүрсэлсэн таталцлын квант онол биш, харамсалтай нь харьцангуй харьцангуй ерөнхий онол бас байдаг.

Энэ хоёр онолоос цааш гарахад хүндрэлтэй тал нь хэрэв та шинэ элемент, ухагдахуун, хэмжигдэхүүнүүдийг оруулах замаар өөрчлөхийг оролдвол бидний өмнө байгаа хэмжилт, ажиглалттай зөрчилдсөн үр дүн гарах болно. Хэрэв та бидний одоогийн шинжлэх ухааны хүрээнээс цааш явахыг хүсвэл нотлох үүрэг асар их гэдгийг санах нь зүйтэй. Нөгөөтэйгүүр, олон арван жилийн турш туршиж, туршиж үзсэн загвар өмсөгчдийг гутаан доромжилсон хүнээс тийм их зүйлийг хүлээхгүй байх нь хэцүү байдаг.

Ийм шаардлагын өмнө физикт байгаа парадигмыг хэн ч бүрэн эсэргүүцэхийг оролдох нь гайхах зүйл биш юм. Хэрэв ингэвэл энгийн шалгалтанд хурдан бүдэрдэг тул үүнийг нухацтай авч үзэхгүй. Тиймээс, хэрэв бид боломжит цоорхойг олж харвал эдгээр нь хаа нэгтээ ямар нэг зүйл гэрэлтэж байгааг илтгэх гэрэл тусгагч юм, гэхдээ тийшээ явах нь үнэ цэнэтэй эсэх нь тодорхойгүй байна.

Мэдэгдэж буй физик нь орчлон ертөнцийг зохицуулж чадахгүй

Энэ "бүрэн шинэ, өөр" гялалзсан жишээнүүд үү? Жишээлбэл, Орчлон ертөнц нь зөвхөн Стандарт загварын бөөмсөөр дүүрсэн бөгөөд харьцангуйн ерөнхий онолыг дагаж мөрддөг гэсэн мэдэгдэлтэй нийцэхгүй мэт санагдах буцах хурдны ажиглалтууд. Таталцлын бие даасан эх үүсвэр, галактик, галактикийн бөөгнөрөл, тэр ч байтугай агуу сансар огторгуйн сүлжээ нь энэ үзэгдлийг тайлбарлахад хангалттай биш гэдгийг бид мэднэ. Хэдийгээр Стандарт загварт матери болон эсрэг бодисыг тэнцүү хэмжээгээр үүсгэж, устгах ёстой гэж заасан байдаг ч бид бага хэмжээний эсрэг бодис бүхий ихэвчлэн материас бүрдсэн орчлонд амьдардаг гэдгийг бид мэднэ. Өөрөөр хэлбэл, "мэдэгдэж байгаа физик" нь орчлон ертөнцөд бидний харж буй бүх зүйлийг тайлбарлаж чадахгүй гэдгийг бид харж байна.

Олон туршилтууд нь санаанд оромгүй үр дүнд хүрсэн бөгөөд хэрвээ илүү өндөр түвшинд туршиж үзвэл хувьсгал болно. Атомын аномали гэж нэрлэгддэг бөөмс байдаг нь туршилтын алдаа байж болох ч энэ нь Стандарт загвараас хэтэрсэн шинж тэмдэг байж болно. Орчлон ертөнцийг хэмжих янз бүрийн аргууд нь түүний тэлэлтийн хурдыг өөр өөр утгыг өгдөг - энэ асуудлыг бид МТ-ийн сүүлийн үеийн дугааруудын нэгэнд нарийвчлан авч үзсэн.

Гэсэн хэдий ч эдгээр гажигуудын аль нь ч шинэ физикийн маргаангүй шинж тэмдэг гэж үзэх хангалттай үнэмшилтэй үр дүнг өгдөггүй. Эдгээрийн аль нэг нь эсвэл бүгд статистикийн хэлбэлзэл эсвэл буруу тохируулсан хэрэгсэл байж болно. Тэдгээрийн олонх нь шинэ физикийг зааж өгч болох ч харьцангуйн ерөнхий онол ба Стандарт загварын хүрээнд мэдэгдэж буй бөөмс, үзэгдлийг ашиглан хялбархан тайлбарлаж болно.

Бид илүү тодорхой үр дүн, зөвлөмж гарна гэж найдаж туршилт хийхээр төлөвлөж байна. Хар энерги тогтмол үнэ цэнэтэй эсэхийг бид удахгүй харж магадгүй. Вера Рубины ажиглалтын төвөөс төлөвлөсөн галактикийн судалгаа, алс холын хэт шинэ одны талаарх мэдээлэлд үндэслэн ирээдүйд бэлэн болгох болно. Нэнси Грейс телескоп, өмнө нь WFIRST, бид харанхуй энерги цаг хугацааны явцад 1% дотор хувьсдаг эсэхийг олж мэдэх хэрэгтэй. Хэрэв тийм бол бидний "стандарт" сансар судлалын загварыг өөрчлөх шаардлагатай болно. Төлөвлөгөөний хувьд сансрын лазер интерферометрийн антен (LISA) нь бидэнд гэнэтийн бэлэг өгөх боломжтой. Товчхондоо, бид төлөвлөж буй ажиглалтын машин, туршилтуудад найдаж байна.

Мөн бид бөөмийн физикийн чиглэлээр ажиллаж байгаа бөгөөд электрон ба мюоны соронзон моментийг илүү нарийвчлалтай хэмжих гэх мэт загвараас гадуур үзэгдлүүдийг олох гэж найдаж байна - хэрэв тэд санал нийлэхгүй бол шинэ физик гарч ирнэ. Тэд хэрхэн хэлбэлзэж байгааг олж тогтоохоор ажиллаж байна нейтрино - Энд бас шинэ физик гэрэлтэж байна. Хэрэв бид дугуй эсвэл шугаман (2) электрон-позитрон мөргөлдөөгчийг нарийн хийвэл LHC хараахан илрүүлж чадахгүй байгаа Стандарт загвараас гадуур зүйлийг илрүүлж чадна. Физикийн ертөнцөд 100 км хүртэлх тойрог бүхий LHC-ийн илүү том хувилбарыг санал болгож байна. Энэ нь мөргөлдөөний өндөр энергийг өгөх бөгөөд олон физикчдийн үзэж байгаагаар эцэст нь шинэ үзэгдлийн дохио болно. Гэхдээ энэ бол туйлын өндөр өртөгтэй хөрөнгө оруулалт бөгөөд зөвхөн “Үүнийг бүтээцгээе, энэ нь бидэнд юу харуулахыг харъя” гэсэн зарчмаар аварга том барилга барих нь ихээхэн эргэлзээ төрүүлж байна.

2. Шугаман лептон коллайдер - дүрслэл

Физикийн шинжлэх ухаанд асуудалд хоёр төрлийн арга барил байдаг. Эхнийх нь нарийн төвөгтэй арга юм, энэ нь тодорхой асуудлыг шийдвэрлэх туршилт эсвэл ажиглалтын газрын нарийн загвараас бүрддэг. Хоёрдахь аргыг харгис хүчний арга гэж нэрлэдэг.бидний өмнөх арга барилаас цоо шинэ байдлаар орчлон ертөнцийг судлахын тулд бүх нийтийн, хил хязгаарыг давах туршилт эсвэл ажиглалтын газрыг хөгжүүлдэг. Эхнийх нь Стандарт загварт илүү сайн чиглэгддэг. Хоёр дахь нь танд ямар нэг зүйлийн ул мөрийг олох боломжийг олгодог боловч харамсалтай нь энэ нь яг тодорхойлогдоогүй байна. Тиймээс хоёр арга нь сул талуудтай.

Физикийн ариун нандин гэгдэх Бүх зүйлийн онол (TUT) гэж нэрлэгддэг зүйлийг хоёр дахь ангилалд оруулах ёстой, учир нь энэ нь ихэвчлэн дээд ба илүү өндөр энергийг (3) олоход хүргэдэг. Байгаль нь эцэстээ нэг харилцан үйлчлэлд нэгддэг.

3. Харилцааны таамаглалыг нэгтгэхэд шаардагдах энерги

нейтрино Нисфорн

Сүүлийн үед шинжлэх ухаан нь нейтрино судалгаа гэх мэт илүү сонирхолтой салбаруудад илүү их анхаарал хандуулж байгаа бөгөөд бид саяхан MT-д өргөн хүрээтэй тайлан нийтэлсэн. 2020 оны XNUMX-р сард Astrophysical Journal Антарктидад гарал үүсэл нь үл мэдэгдэх өндөр энергитэй нейтрино нээсэн тухай нийтлэл нийтэлжээ. Алдарт туршилтаас гадна мэдрэгч бүхий бөмбөлөг хөөргөхээс бүрдсэн ANITA (код нэрээр) хүйтэн жавартай тивд судалгаа хийсэн. радио долгион.

ANITA болон хоёулаа мөсийг бүрдүүлдэг хатуу бодистой мөргөлдөж буй өндөр энергитэй нейтриногийн радио долгионыг хайж олоход зориулагдсан. Харвардын Одон орон судлалын тэнхимийн дарга Ави Лоеб Салоны вэбсайт дээр тайлбарлав: "ANITA-ийн илрүүлсэн үйл явдлууд нь мэдээжийн хэрэг гажиг мэт санагдаж байна, учир нь тэдгээрийг астрофизикийн эх сурвалжаас нейтрино гэж тайлбарлах боломжгүй юм. (...) Энэ нь энгийн бодистой нейтринотой харьцуулахад сул харилцан үйлчлэлцдэг бөөмс байж болно. Ийм бөөмсийг харанхуй матер гэж бид сэжиглэж байна. Гэхдээ ANITA-ийн үйл явдлууд юунаас болж ийм эрч хүчтэй болдог вэ?

Стандарт загварыг зөрчсөн цорын ганц бөөмс бол нейтрино юм. Энгийн бөөмсийн стандарт загварт зааснаар бид гурван төрлийн нейтрино (электрон, мюон, тау) ба гурван төрлийн антинейтринотой байх ёстой бөгөөд тэдгээр нь үүссэний дараа тэдгээр нь шинж чанараараа тогтвортой, өөрчлөгдөөгүй байх ёстой. 60-аад оноос хойш нарнаас үүссэн нейтриногийн анхны тооцоолол, хэмжилтүүд гарч ирэхэд бид асуудал байгааг ойлгосон. Хэдэн электрон нейтрино үүссэнийг бид мэдэж байсан нарны цөм. Гэвч бид хэд ирснийг хэмжихэд таамагласан тооны гуравны нэгийг л олж харсан.

Манай детекторуудад ямар нэг зүйл буруу байна, эсвэл манай Нарны загварт ямар нэг зүйл буруу байна, эсвэл нейтрино өөрөө ямар нэг зүйл буруу байна. Реакторын туршилтууд нь манай детекторуудад ямар нэг зүйл буруу байна гэсэн ойлголтыг хурдан үгүйсгэв (4). Тэд санаснаараа ажиллаж, гүйцэтгэл нь маш сайн үнэлгээ авсан. Бидний илрүүлсэн нейтрино нь ирж буй нейтринотой пропорциональ бүртгэгдсэн. Олон арван жилийн турш олон одон орон судлаачид манай нарны загвар буруу гэж маргасаар ирсэн.

4. Super Kamiokande детекторын Черенковын цацраг дахь нейтрино үйл явдлын зураг

Мэдээжийн хэрэг, хэрэв үнэн бол бидний орчлон ертөнцийн талаарх ойлголтыг Стандарт Загварын таамаглаж байснаас өөрчлөх өөр нэг чамин боломж байсан. Бидний мэддэг гурван төрлийн нейтрино нь масстай, харин масстай гэсэн санаа юм туранхай, хэрэв тэд хангалттай энергитэй бол амтыг нь өөрчлөхийн тулд холих (хэлбэлзэх) боломжтой. Хэрэв нейтрино электроноор өдөөгдвөл энэ нь өөрчлөгдөх боломжтой мюон i таоновгэхдээ энэ нь зөвхөн масстай үед л боломжтой юм. Эрдэмтэд баруун болон зүүн гартай нейтриногийн асуудалд санаа зовж байна. Учир нь хэрэв та үүнийг ялгаж чадахгүй бол бөөмс эсвэл эсрэг бөөмс үү гэдгийг ялгаж чадахгүй.

Нейтрино өөрийн эсрэг бөөмс байж чадах уу? Ердийн Стандарт загварын дагуу биш. Фермионуудерөнхийдөө тэд өөрсдийн эсрэг бөөмс байх ёсгүй. Фермион нь ± XNUMX/XNUMX эргэлттэй аливаа бөөмс юм. Энэ ангилалд бүх кварк, лептон, түүний дотор нейтрино орно. Гэсэн хэдий ч фермионуудын онцгой төрөл байдаг бөгөөд энэ нь зөвхөн онолын хувьд л байдаг - Майорана фермион нь өөрийн эсрэг бөөмс юм. Хэрэв энэ байсан бол онцгой зүйл тохиолдож магадгүй ... нейтриногүй давхар бета задрал. Ийм цоорхойг удаан хугацаанд хайж байсан туршилтын хүмүүст боломж энд байна.

Нейтринотой холбоотой ажиглагдсан бүх процессуудад эдгээр бөөмс нь физикчид зүүн гар гэж нэрлэдэг шинж чанарыг харуулдаг. Стандарт загварын хамгийн байгалийн үргэлжлэл болох баруун гарт нейтрино нь хаана ч байхгүй. Бусад бүх MS бөөмс нь баруун гартай хувилбартай байдаг ч нейтрино нь байдаггүй. Яагаад? Краков дахь Польшийн Шинжлэх Ухааны Академийн Цөмийн Физикийн Хүрээлэн (IFJ PAN) зэрэг олон улсын физикчдийн багийн хийсэн хамгийн сүүлийн үеийн, туйлын иж бүрэн дүн шинжилгээ нь энэ асуудлаар судалгаа хийсэн. Эрдэмтэд баруун гарт нейтриногийн ажиглалт дутмаг байгаа нь тэдгээр нь мажорана фермион гэдгийг баталж чадна гэж үзэж байна. Хэрэв тэд байсан бол тэдний баруун талын хувилбар нь маш том бөгөөд энэ нь илрүүлэхэд хүндрэлтэй байгааг тайлбарлаж байна.

Гэсэн хэдий ч нейтрино өөрөө эсрэг бөөмс мөн эсэхийг бид мэдэхгүй. Тэд Хиггс бозоны маш сул холболтоос массаа авдаг уу, эсвэл өөр механизмаар дамжуулан авдаг уу гэдгийг бид мэдэхгүй. Мөн бид мэдэхгүй, магадгүй нейтрино салбар нь бидний бодож байгаагаас хамаагүй илүү төвөгтэй бөгөөд харанхуйд ариутгасан эсвэл хүнд нейтрино нуугдаж байдаг.

Атом ба бусад гажиг

Энгийн бөөмсийн физикт моод болсон нейтринооос гадна "шинэ физик"-ийг нэвтрүүлж болох бусад бага мэддэг судалгааны салбарууд байдаг. Жишээлбэл, эрдэмтэд саяхан оньсоготой байдлыг тайлбарлахын тулд шинэ төрлийн субатомын бөөмсийг санал болгов. зэрэг задрал (5) -аас бүрдэх мезон бөөмийн онцгой тохиолдол нэг кварк i нэг эртний эдлэлийн худалдаачин. Каоны тоосонцор задрахад тэдгээрийн багахан хэсэг нь өөрчлөлтөд ордог нь эрдэмтдийг гайхшруулсан. Энэ задралын хэв маяг нь шинэ төрлийн бөөмс эсвэл ажлын шинэ физик хүчийг илэрхийлж болно. Энэ нь Стандарт загварын хамрах хүрээнээс гадуур юм.

Стандарт загвар дахь цоорхойг олохын тулд илүү олон туршилтууд байдаг. Үүнд g-2 мюоныг хайх ажил орно. Бараг зуун жилийн өмнө физикч Пол Дирак бөөмийн спин шинж чанарыг тодорхойлдог g тоо ашиглан электроны соронзон моментийг таамаглаж байжээ. Дараа нь хэмжилтээр "g" нь 2-оос ялимгүй ялгаатай болохыг харуулж, физикчид "g" ба 2-ын бодит утгын зөрүүг ашиглан атомын доорх бөөмсийн дотоод бүтэц, физикийн хуулиудыг ерөнхийд нь судалж эхлэв. 1959 онд Швейцарийн Женев хотын CERN нь электронтой холбогддог боловч тогтворгүй, энгийн бөөмсөөс 2 дахин хүнд мюон хэмээх субатомын бөөмийн g-207 утгыг хэмжсэн анхны туршилтыг хийжээ.

Нью Йорк дахь Брукхавен үндэсний лаборатори өөрийн туршилтаа эхлүүлж, 2 онд g-2004 туршилтын үр дүнг нийтэлсэн. Хэмжилт нь Стандарт загварын таамаглаж байсан зүйл биш байсан. Гэсэн хэдий ч туршилт нь хэмжсэн утга нь зөвхөн статистикийн хэлбэлзэл биш, үнэхээр өөр байсан гэдгийг баттай нотлохын тулд статистик дүн шинжилгээ хийхэд хангалттай мэдээлэл цуглуулаагүй. Бусад судалгааны төвүүд одоо g-2-тэй шинэ туршилт хийж байгаа бөгөөд бид удахгүй үр дүнг нь мэдэх байх.

Үүнээс илүү сонирхолтой зүйл бий Каоны гажиг i мюон. 2015 онд бериллий 8Be задралын туршилтанд гажиг илэрсэн. Унгарын эрдэмтэд детектороо ашигладаг. Гэсэн хэдий ч тэд нээсэн буюу нээсэн гэж бодсон нь байгалийн тав дахь үндсэн хүч байгааг харуулж байна.

Калифорнийн их сургуулийн физикчид энэхүү судалгааг сонирхож эхэлжээ. Тэд үзэгдэл гэж нэрлэдэг гэж санал болгосон атомын аномали, байгалийн тав дахь хүчийг зөөвөрлөх ёстой цоо шинэ бөөмөөс үүссэн. Харгалзах масс нь бараг 17 сая электрон вольт гэж үздэг тул үүнийг X17 гэж нэрлэдэг. Энэ нь электроны массаас 30 дахин их боловч протоны массаас бага юм. X17 протонтой хэрхэн харьцаж байгаа нь түүний хамгийн хачирхалтай шинж чанаруудын нэг бөгөөд өөрөөр хэлбэл протонтой огт харьцдаггүй. Харин энэ нь огт цэнэггүй сөрөг цэнэгтэй электрон эсвэл нейтронтой харилцан үйлчилдэг. Энэ нь X17 бөөмийг одоогийн Стандарт загварт оруулахад хэцүү болгодог. Бозонууд нь хүчнүүдтэй холбоотой байдаг. Глюонууд нь хүчтэй хүч, бозонууд сул хүч, фотонууд нь цахилгаан соронзонтой холбоотой байдаг. Гравитон гэж нэрлэгддэг таталцлын тухай таамагласан бозон хүртэл байдаг. Бозоны хувьд X17 нь өнөөг хүртэл бидний хувьд оньсого хэвээр байсаар ирсэн бөгөөд байж болох ч өөрийн гэсэн хүчийг авч явах болно.

Орчлон ертөнц ба түүний сонгосон чиглэл?

Сидней дэх Шинэ Өмнөд Уэльсийн их сургуулийн эрдэмтэд энэ дөрөвдүгээр сард Science Advances сэтгүүлд нийтлэгдсэн нийтлэлдээ 13 тэрбум гэрлийн жилийн зайд орших квазараас ялгарч буй гэрлийн шинэ хэмжилтүүд нь нарийн тогтмол бүтцэд бага зэргийн өөрчлөлтийг илрүүлсэн өмнөх судалгаануудыг баталж байна гэж мэдээлжээ. орчлон ертөнцийн. Профессор Жон Уэбб UNSW-ээс (6) нарийн бүтцийн тогтмол нь "физикчдийн цахилгаан соронзон хүчний хэмжүүр болгон ашигладаг хэмжигдэхүүн" гэж тайлбарлав. цахилгаан соронзон хүч Орчлон ертөнцийн бүх атом дахь электронуудыг цөмийг тойрон байлгадаг. Үүнгүйгээр бүх зүйл задрах болно. Саяхныг хүртэл энэ нь цаг хугацаа, орон зайн байнгын хүч гэж тооцогддог. Гэвч сүүлийн хорин жилийн хугацаанд хийсэн судалгаандаа профессор Уэбб орчлон ертөнцийн сонгосон нэг чиглэлд хэмжигдэх цахилгаан соронзон хүч үргэлж ялимгүй ялгаатай байдаг хатуу нарийн бүтэц дэх гажиг байгааг анзаарчээ.

"" гэж Уэбб тайлбарлав. Зөрчилдөөн нь Австралийн багийн хэмжилтээс бус харин тэдний үр дүнг бусад эрдэмтдийн хийсэн квазар гэрлийн бусад хэмжилтүүдтэй харьцуулах явцад илэрсэн байна.

"" гэж профессор Уэбб хэлэв. "". Түүний бодлоор, үр дүн нь орчлон ертөнцөд илүүд үздэг чиглэл байж болохыг харуулж байх шиг байна. Өөрөөр хэлбэл, орчлон ертөнц ямар нэг утгаараа диполь бүтэцтэй байх болно.

"" Эрдэмтэд тэмдэглэсэн гажигуудын талаар хэлэв.

Энэ нь бас нэг зүйл юм: галактик, квазар, хийн үүл, амьдралтай гаригуудын санамсаргүй тархалт гэж бодож байсан зүйлийн оронд орчлон ертөнц гэнэт хойд болон өмнөд ижил төстэй болсон. Профессор Уэбб дэлхийн өөр өөр газраас, өөр өөр технологи ашиглан янз бүрийн үе шатанд хийсэн эрдэмтдийн хэмжилтийн үр дүн нь үнэндээ асар том давхцал гэдгийг хүлээн зөвшөөрөхөд бэлэн байна.

Хэрэв орчлон ертөнцөд чиг баримжаа байдаг бол, мөн сансар огторгуйн тодорхой бүс нутагт цахилгаан соронзон нь арай өөр болж хувирвал орчин үеийн физикийн ихэнх суурь ойлголтуудыг эргэн харах шаардлагатай болно гэж Уэбб онцолжээ. "" гэж ярьдаг. Энэхүү загвар нь Эйнштейний таталцлын онол дээр үндэслэсэн бөгөөд энэ нь байгалийн хуулиудын тогтвортой байдлыг тодорхой харуулж байна. Хэрэв тийм биш бол ... физикийн барилгыг бүхэлд нь эргүүлэх бодол үнэхээр гайхалтай юм.