Mae ffiseg newydd yn disgleirio o lawer o leoedd

Mae unrhyw newidiadau posibl yr hoffem eu gwneud i'r Model Safonol o ffiseg (1) neu berthnasedd cyffredinol, ein dwy ddamcaniaeth orau (er yn anghydnaws) o'r bydysawd, eisoes yn gyfyngedig iawn. Mewn geiriau eraill, ni allwch newid llawer heb danseilio'r cyfanwaith.

Y ffaith yw bod yna hefyd ganlyniadau a ffenomenau na ellir eu hesbonio ar sail y modelau sy'n hysbys i ni. Felly a ddylem fynd allan o'n ffordd i wneud popeth yn anesboniadwy neu'n anghyson ar unrhyw gost sy'n gyson â damcaniaethau presennol, neu a ddylem chwilio am rai newydd? Dyma un o gwestiynau sylfaenol ffiseg fodern.

Mae'r Model Safonol o ffiseg gronynnau wedi esbonio'n llwyddiannus yr holl ryngweithiadau hysbys ac a ddarganfuwyd rhwng gronynnau sydd erioed wedi'u harsylwi. Mae'r bydysawd yn cynnwys cwarciau, leptonov a bosonau medrydd, sy'n trawsyrru tri o'r pedwar grym sylfaenol mewn natur ac yn rhoi eu màs gorffwys i ronynnau. Mae yna berthnasedd cyffredinol hefyd, sef ein, yn anffodus, nid damcaniaeth cwantwm disgyrchiant, sy'n disgrifio'r berthynas rhwng gofod-amser, mater ac egni yn y bydysawd.

Yr anhawster wrth fynd y tu hwnt i'r ddwy ddamcaniaeth hyn yw, os ceisiwch eu newid trwy gyflwyno elfennau, cysyniadau a meintiau newydd, byddwch yn cael canlyniadau sy'n gwrth-ddweud y mesuriadau a'r arsylwadau sydd gennym eisoes. Mae'n werth cofio hefyd, os ydych am fynd y tu hwnt i'n fframwaith gwyddonol presennol, mae baich y prawf yn enfawr. Ar y llaw arall, mae'n anodd peidio â disgwyl cymaint gan rywun sy'n tanseilio modelau a brofwyd ers degawdau.

Yn wyneb gofynion o'r fath, nid yw'n syndod mai prin y mae unrhyw un yn ceisio herio'r patrwm presennol mewn ffiseg yn llwyr. Ac os ydyw, ni chaiff ei gymryd o ddifrif o gwbl, gan ei fod yn dod ar draws gwiriadau syml yn gyflym. Felly, os gwelwn dyllau posibl, yna dim ond adlewyrchwyr yw'r rhain, sy'n arwydd bod rhywbeth yn disgleirio yn rhywle, ond nid yw'n glir a yw'n werth mynd yno o gwbl.

Ni all ffiseg hysbys drin y bydysawd

Enghreifftiau o sglein o hyn yn “hollol newydd a gwahanol”? Wel, er enghraifft, arsylwadau o'r gyfradd adennill, sy'n ymddangos yn anghyson â'r datganiad bod y Bydysawd wedi'i lenwi â gronynnau o'r Model Safonol yn unig ac yn ufuddhau i ddamcaniaeth gyffredinol perthnasedd. Gwyddom nad yw ffynonellau disgyrchiant unigol, galaethau, clystyrau o alaethau, a hyd yn oed y we gosmig wych yn ddigon i esbonio'r ffenomen hon, efallai. Gwyddom, er bod y Model Safonol yn nodi y dylai mater a gwrthfater gael eu creu a'u dinistrio mewn symiau cyfartal, rydym yn byw mewn bydysawd sy'n cynnwys mater yn bennaf gydag ychydig bach o wrthfater. Mewn geiriau eraill, gwelwn na all "ffiseg hysbys" esbonio popeth a welwn yn y bydysawd.

Mae llawer o arbrofion wedi esgor ar ganlyniadau annisgwyl a allai, o'u profi ar lefel uwch, fod yn chwyldroadol. Gall hyd yn oed yr hyn a elwir yn Anomaledd Atomig sy'n nodi bodolaeth gronynnau fod yn gamgymeriad arbrofol, ond gall hefyd fod yn arwydd o fynd y tu hwnt i'r Model Safonol. Mae gwahanol ddulliau o fesur y bydysawd yn rhoi gwerthoedd gwahanol ar gyfer cyfradd ei ehangu - problem a ystyriwyd gennym yn fanwl yn un o faterion diweddar MT.

Fodd bynnag, nid yw'r un o'r anghysondebau hyn yn rhoi canlyniadau digon argyhoeddiadol i gael eu hystyried yn arwydd diamheuol o ffiseg newydd. Gall unrhyw un neu bob un o'r rhain fod yn amrywiadau ystadegol neu'n offeryn sydd wedi'i raddnodi'n anghywir. Efallai y bydd llawer ohonynt yn cyfeirio at ffiseg newydd, ond gellir eu hesbonio yr un mor hawdd gan ddefnyddio gronynnau a ffenomenau hysbys yng nghyd-destun perthnasedd cyffredinol a'r Model Safonol.

Rydym yn bwriadu arbrofi, gan obeithio am ganlyniadau ac argymhellion cliriach. Efallai y byddwn yn gweld yn fuan a oes gan egni tywyll werth cyson. Yn seiliedig ar astudiaethau galaeth arfaethedig gan Arsyllfa Vera Rubin a data ar uwchnofâu pell i fod ar gael yn y dyfodol. telesgop nancy gras, CYNTAF yn flaenorol, mae angen inni ddarganfod a yw egni tywyll yn esblygu gydag amser i fewn 1%. Os felly, yna bydd yn rhaid newid ein model cosmolegol "safonol". Mae'n bosibl y bydd yr antena interferometer laser gofod (LISA) o ran cynllun hefyd yn rhoi syrpreis i ni. Yn fyr, rydym yn cyfrif ar y cerbydau arsylwi ac arbrofion yr ydym yn eu cynllunio.

Rydym hefyd yn dal i weithio ym maes ffiseg gronynnau, gan obeithio dod o hyd i ffenomenau y tu allan i'r Model, megis mesuriad mwy cywir o eiliadau magnetig yr electron a'r muon - os nad ydynt yn cytuno, mae ffiseg newydd yn ymddangos. Rydyn ni'n gweithio i ddarganfod sut maen nhw'n amrywio niwtrino – yma, hefyd, mae ffiseg newydd yn disgleirio. Ac os byddwn ni'n adeiladu gwrthdrawiad electron-positron cywir, crwn neu linellol (2), gallwn ganfod pethau y tu hwnt i'r Model Safonol na all yr LHC eu canfod eto. Ym myd ffiseg, mae fersiwn fwy o'r LHC gyda chylchedd o hyd at 100 km wedi'i gynnig ers tro. Byddai hyn yn rhoi mwy o egni gwrthdrawiadau, a fyddai, yn ôl llawer o ffisegwyr, o'r diwedd yn arwydd o ffenomenau newydd. Fodd bynnag, mae hwn yn fuddsoddiad hynod o ddrud, ac mae adeiladu cawr yn unig ar yr egwyddor - "gadewch i ni ei adeiladu a gweld beth fydd yn ei ddangos i ni" yn codi llawer o amheuon.

2. Gwrthdarwr lepton llinol - delweddu

Mae dau fath o ymagwedd at broblemau mewn gwyddor ffisegol. Mae'r cyntaf yn ddull cymhleth, sy'n cynnwys dyluniad cul arbrawf neu arsyllfa ar gyfer datrys problem benodol. Gelwir yr ail ddull yn ddull 'n ysgrublaidd.sy'n datblygu arbrawf cyffredinol, gwthio ffiniau neu arsyllfa i archwilio'r bydysawd mewn ffordd gwbl newydd na'n dulliau blaenorol. Mae'r cyntaf wedi'i gyfeirio'n well yn y Model Safonol. Mae'r ail yn caniatáu ichi ddod o hyd i olion rhywbeth mwy, ond, yn anffodus, nid yw'r rhywbeth hwn wedi'i ddiffinio'n union. Felly, mae anfanteision i'r ddau ddull.

Chwiliwch am Theori Popeth fel y'i gelwir (TUT), dylid gosod greal sanctaidd ffiseg, yn yr ail gategori, oherwydd yn amlach na pheidio mae'n dibynnu ar ddod o hyd i egni uwch ac uwch (3), lle mae grymoedd yn y pen draw mae natur yn cyfuno'n un rhyngweithiad.

3. Egni sydd ei angen ar gyfer uno rhyngweithiadau yn ddamcaniaethol

neutrino Nisforn

Yn ddiweddar, mae gwyddoniaeth wedi canolbwyntio fwyfwy ar feysydd mwy diddorol, fel ymchwil i niwtrino, y cyhoeddasom adroddiad helaeth arnynt yn MT yn ddiweddar. Ym mis Chwefror 2020, cyhoeddodd yr Astrophysical Journal gyhoeddiad am ddarganfod niwtrinosau ynni uchel o darddiad anhysbys yn Antarctica. Yn ogystal â'r arbrawf adnabyddus, cynhaliwyd ymchwil hefyd ar y cyfandir rhewllyd o dan yr enw cod ANITA (), sy'n cynnwys rhyddhau balŵn gyda synhwyrydd tonnau radio.

Cynlluniwyd y ddau ac ANITA i chwilio am donnau radio o niwtrinos ynni uchel yn gwrthdaro â'r mater solet sy'n ffurfio iâ. Eglurodd Avi Loeb, cadeirydd Adran Seryddiaeth Harvard, ar wefan Salon: “Mae’r digwyddiadau a ganfuwyd gan ANITA yn sicr yn ymddangos fel anghysondeb oherwydd ni ellir eu hesbonio fel neutrinos o ffynonellau astroffisegol. (...) Gallai fod yn rhyw fath o ronyn sy'n rhyngweithio'n wannach na niwtrino â mater cyffredin. Rydym yn amau ​​​​bod gronynnau o'r fath yn bodoli fel mater tywyll. Ond beth sy’n gwneud digwyddiadau ANITA mor egnïol?”

Niwtrinos yw'r unig ronynnau y gwyddys eu bod wedi torri'r Model Safonol. Yn ôl y Model Safonol o ronynnau elfennol, rhaid inni gael tri math o neutrinos (electronig, muon a tau) a thri math o antineutrinos, ac ar ôl eu ffurfio rhaid iddynt fod yn sefydlog ac yn ddigyfnewid yn eu priodweddau. Ers y 60au, pan ymddangosodd y cyfrifiadau a'r mesuriadau cyntaf o niwtrinos a gynhyrchwyd gan yr Haul, sylweddolom fod yna broblem. Roedden ni'n gwybod faint o electron neutrinos oedd yn cael ei ffurfio craidd solar. Ond wrth fesur faint a gyrhaeddodd, dim ond traean o'r nifer a ragwelwyd a welsom.

Naill ai mae rhywbeth o'i le ar ein synwyryddion, neu mae rhywbeth o'i le ar ein model o'r Haul, neu mae rhywbeth o'i le ar y niwtrinos eu hunain. Roedd arbrofion adweithydd yn gwrthbrofi'n gyflym y syniad bod rhywbeth o'i le ar ein synwyryddion (4). Roeddent yn gweithio yn ôl y disgwyl a chafodd eu perfformiad sgôr dda iawn. Roedd y niwtrinos a ganfuwyd gennym wedi'u cofrestru yn gymesur â nifer y niwtrinos a oedd yn cyrraedd. Am ddegawdau, mae llawer o seryddwyr wedi dadlau bod ein model solar yn anghywir.

4. Delweddau o ddigwyddiadau niwtrino yn ymbelydredd Cherenkov o'r synhwyrydd Super Kamiokande

Wrth gwrs, roedd posibilrwydd egsotig arall a fyddai, os yn wir, yn newid ein dealltwriaeth o’r bydysawd o’r hyn a ragfynegodd y Model Safonol. Y syniad yw nad yw màs y tri math o niwtrinos rydyn ni'n eu hadnabod mewn gwirionedd heb lawer o fraster, a'u bod yn gallu cymysgu (anwadalu) i newid blasau os oes ganddyn nhw ddigon o egni. Os caiff y niwtrino ei sbarduno'n electronig, gall newid ar hyd y ffordd i muon i taonovond dim ond pan fydd ganddo màs y mae hyn yn bosibl. Mae gwyddonwyr yn poeni am broblem niwtrinos llaw dde a chwith. Canys os na ellwch ei wahaniaethu, ni ellwch wahaniaethu pa un ai gronyn ai gwrthronyn ydyw.

A all niwtrino fod yn wrthronyn ei hun? Ddim yn ôl y Model Safonol arferol. fermionyn gyffredinol ni ddylent fod yn wrthronynnau eu hunain. Fermion yw unrhyw ronyn gyda chylchdro o ± XNUMX/XNUMX. Mae'r categori hwn yn cynnwys pob cwarc a lepton, gan gynnwys niwtrinos. Fodd bynnag, mae math arbennig o fermions, sydd hyd yn hyn yn bodoli yn unig mewn theori - y Majorana fermion, sef ei wrthronyn ei hun. Pe bai'n bodoli, efallai bod rhywbeth arbennig yn digwydd... niwtrino am ddim pydredd beta dwbl. A dyma gyfle i arbrofwyr sydd wedi bod yn chwilio am y fath fwlch ers tro.

Ym mhob proses a arsylwyd yn ymwneud â niwtrinos, mae'r gronynnau hyn yn arddangos priodwedd y mae ffisegwyr yn ei alw'n llaw chwith. Nid yw neutrinos llaw dde, sef yr estyniad mwyaf naturiol o'r Model Safonol, i'w gweld yn unman. Mae gan bob gronyn MS arall fersiwn llaw dde, ond nid oes gan niwtrinos. Pam? Mae'r dadansoddiad diweddaraf, hynod gynhwysfawr gan dîm rhyngwladol o ffisegwyr, gan gynnwys Sefydliad Ffiseg Niwclear Academi Gwyddorau Gwlad Pwyl (IFJ PAN) yn Krakow, wedi gwneud ymchwil ar y mater hwn. Mae gwyddonwyr yn credu y gallai diffyg arsylwi niwtrinos llaw dde brofi eu bod yn fermions Majorana. Os oeddent, yna mae eu fersiwn ochr dde yn enfawr iawn, sy'n esbonio'r anhawster o ganfod.

Ac eto, nid ydym yn gwybod o hyd a yw niwtrinos yn wrthronynnau eu hunain. Nid ydym yn gwybod a ydynt yn cael eu màs o rwymo gwan iawn y boson Higgs, neu a ydynt yn ei gael trwy ryw fecanwaith arall. Ac nid ydym yn gwybod, efallai bod y sector niwtrino yn llawer mwy cymhleth nag yr ydym yn ei feddwl, gyda niwtrinos di-haint neu drwm yn llechu yn y tywyllwch.

Atomau ac anomaleddau eraill

Mewn ffiseg gronynnau elfennol, ar wahân i'r niwtrinos ffasiynol, mae yna feysydd ymchwil eraill, llai adnabyddus y gall "ffiseg newydd" ddisgleirio drwyddynt. Mae gwyddonwyr, er enghraifft, wedi cynnig math newydd o ronyn isatomig yn ddiweddar i egluro'r enigmatig ymddatod fel (5), achos arbennig o ronyn meson sy'n cynnwys un cwarc i un deliwr hen bethau. Pan fydd gronynnau kaon yn pydru, mae cyfran fach ohonyn nhw'n mynd trwy newidiadau sy'n synnu gwyddonwyr. Gall arddull y pydredd hwn ddangos math newydd o ronyn neu rym corfforol newydd yn y gwaith. Mae hyn y tu allan i gwmpas y Model Safonol.

Mae mwy o arbrofion i ddod o hyd i fylchau yn y Model Safonol. Mae'r rhain yn cynnwys chwilio am y muon g-2. Bron i gan mlynedd yn ôl, rhagfynegodd y ffisegydd Paul Dirac foment magnetig electron gan ddefnyddio g, rhif sy'n pennu priodweddau sbin gronyn. Yna dangosodd mesuriadau fod "g" ychydig yn wahanol i 2, a dechreuodd ffisegwyr ddefnyddio'r gwahaniaeth rhwng gwerth gwirioneddol "g" a 2 i astudio strwythur mewnol gronynnau isatomig a chyfreithiau ffiseg yn gyffredinol. Ym 1959, cynhaliodd CERN yn Genefa, y Swistir, yr arbrawf cyntaf a fesurodd werth g-2 gronyn isatomig o'r enw muon, wedi'i rwymo i electron ond yn ansefydlog a 207 gwaith yn drymach na gronyn elfennol.

Dechreuodd Labordy Cenedlaethol Brookhaven yn Efrog Newydd ei arbrawf ei hun a chyhoeddi canlyniadau eu harbrawf g-2 yn 2004. Nid oedd y mesuriad yr hyn a ragfynegwyd gan y Model Safonol. Fodd bynnag, ni chasglodd yr arbrawf ddigon o ddata ar gyfer dadansoddiad ystadegol i brofi'n derfynol bod y gwerth a fesurwyd yn wir yn wahanol ac nid yn amrywiad ystadegol yn unig. Mae canolfannau ymchwil eraill bellach yn gwneud arbrofion newydd gyda g-2, ac mae'n debyg y byddwn yn gwybod y canlyniadau yn fuan.

Mae rhywbeth mwy diddorol na hyn Anomaleddau Kaon i muon. Yn 2015, dangosodd arbrawf ar bydredd beryllium 8Be anghysondeb. Mae gwyddonwyr yn Hwngari yn defnyddio eu synhwyrydd. Fodd bynnag, gyda llaw, fe wnaethant ddarganfod neu feddwl eu bod wedi darganfod, sy'n awgrymu bodolaeth pumed grym natur sylfaenol.

Dechreuodd ffisegwyr o Brifysgol California ddiddordeb yn yr astudiaeth. Fe wnaethon nhw awgrymu bod y ffenomen yn galw anomaledd atomig, yn cael ei achosi gan ronyn hollol newydd, yr hwn oedd i fod i gario pumed grym natur. Fe'i gelwir yn X17 oherwydd credir bod ei fàs cyfatebol bron yn 17 miliwn o foltiau electronau. Mae hyn 30 gwaith màs electron, ond yn llai na màs proton. Ac mae'r ffordd y mae X17 yn ymddwyn â phroton yn un o'i nodweddion rhyfeddaf - hynny yw, nid yw'n rhyngweithio â phroton o gwbl. Yn lle hynny, mae'n rhyngweithio ag electron neu niwtron â gwefr negatif, nad oes ganddo wefr o gwbl. Mae hyn yn ei gwneud hi'n anodd ffitio'r gronyn X17 i'n Model Safonol cyfredol. Mae Bosons yn gysylltiedig â grymoedd. Mae gluons yn gysylltiedig â'r grym cryf, bosonau â'r grym gwan, a ffotonau ag electromagnetedd. Mae hyd yn oed boson damcaniaethol ar gyfer disgyrchiant a elwir yn graviton. Fel boson, bydd X17 yn cario ei rym ei hun, fel yr hyn sydd hyd yn hyn wedi bod yn ddirgelwch i ni ac a allai fod.

Y bydysawd a'i gyfeiriad dewisol?

Mewn papur a gyhoeddwyd fis Ebrill eleni yn y cyfnodolyn Science Advances, adroddodd gwyddonwyr ym Mhrifysgol De Cymru Newydd yn Sydney fod mesuriadau newydd o olau a allyrrir gan quasar 13 biliwn o flynyddoedd golau i ffwrdd yn cadarnhau astudiaethau blaenorol a ganfu amrywiadau bach yn y strwythur cyson mân. o'r bydysawd. Yr Athro John Webb o UNSW (6) yn esbonio bod y cysonyn adeiledd mân "yn swm y mae ffisegwyr yn ei ddefnyddio i fesur y grym electromagnetig." grym electromagnetig yn cynnal electronau o amgylch y niwclysau ym mhob atom yn y bydysawd. Hebddo, byddai pob mater yn disgyn yn ddarnau. Hyd yn ddiweddar, roedd yn cael ei ystyried yn rym cyson o ran amser a gofod. Ond yn ei ymchwil dros y ddau ddegawd diwethaf, mae'r Athro Webb wedi sylwi ar anghysondeb yn y strwythur mân solet y mae'r grym electromagnetig, wedi'i fesur mewn un cyfeiriad a ddewiswyd yn y bydysawd, bob amser yn ymddangos ychydig yn wahanol.

" " eglura Webb. Nid oedd yr anghysondebau yn ymddangos ym mesuriadau tîm Awstralia, ond wrth gymharu eu canlyniadau â llawer o fesuriadau golau cwasar gan wyddonwyr eraill.

"" meddai'r Athro Webb. "". Yn ei farn ef, mae'n ymddangos bod y canlyniadau'n awgrymu y gallai fod cyfeiriad a ffefrir yn y bydysawd. Mewn geiriau eraill, byddai gan y bydysawd mewn rhyw ystyr strwythur deupol.

" "Meddai'r gwyddonydd am yr anghysondebau wedi'u marcio.

Dyma un peth arall: yn lle'r hyn y credwyd ei fod yn lledaeniad ar hap o alaethau, cwasars, cymylau nwy a phlanedau â bywyd, yn sydyn mae gan y bydysawd gymar gogleddol a deheuol. Serch hynny, mae'r Athro Webb yn barod i gyfaddef bod canlyniadau mesuriadau gan wyddonwyr a gynhaliwyd ar wahanol gamau gan ddefnyddio gwahanol dechnolegau ac o wahanol leoedd ar y Ddaear mewn gwirionedd yn gyd-ddigwyddiad enfawr.

Mae Webb yn nodi, os oes cyfeiriadedd yn y bydysawd, ac os yw electromagneteg ychydig yn wahanol mewn rhai rhannau o'r cosmos, bydd angen ailedrych ar y cysyniadau mwyaf sylfaenol y tu ôl i lawer o ffiseg fodern. "", yn siarad. Mae'r model yn seiliedig ar ddamcaniaeth disgyrchiant Einstein, sy'n rhagdybio'n benodol gysondeb deddfau natur. Ac os na, yna ... mae'r meddwl am droi holl adeilad ffiseg yn syfrdanol.