פיזיקה חדשה זורחת ממקומות רבים

כל שינוי אפשרי שנרצה לעשות במודל הסטנדרטי של הפיזיקה (1) או בתורת היחסות הכללית, שתי התיאוריות הטובות ביותר שלנו (אם כי לא תואמות) על היקום, כבר מוגבלים מאוד. במילים אחרות, אי אפשר לשנות הרבה מבלי לערער את המכלול.

העובדה היא שיש גם תוצאות ותופעות שלא ניתן להסביר על סמך המודלים המוכרים לנו. אז האם עלינו לצאת מגדרנו כדי להפוך את הכל לבלתי מוסבר או לא עקבי בכל מחיר בהתאם לתיאוריות הקיימות, או שעלינו לחפש תיאוריות חדשות? זוהי אחת משאלות היסוד של הפיזיקה המודרנית.

המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים הסביר בהצלחה את כל יחסי הגומלין הידועים והתגלו בין חלקיקים שנצפו אי פעם. היקום מורכב מ קווארקים, לפטונוב ובוזונים מודדים, המעבירים שלושה מתוך ארבעת כוחות היסוד בטבע ונותנים לחלקיקים את מסת המנוחה שלהם. יש גם תורת היחסות הכללית, שלנו, למרבה הצער, לא תורת הכבידה הקוונטית, שמתארת ​​את הקשר בין מרחב-זמן, חומר ואנרגיה ביקום.

הקושי ללכת מעבר לשתי התיאוריות הללו הוא שאם תנסו לשנות אותן על ידי הכנסת אלמנטים, מושגים וכמויות חדשים, תקבלו תוצאות הסותרות את המדידות והתצפיות שכבר יש לנו. כדאי גם לזכור שאם אתם רוצים לחרוג מהמסגרת המדעית הנוכחית שלנו, נטל ההוכחה הוא עצום. מצד שני, קשה שלא לצפות לכל כך הרבה ממי שמערער דוגמניות שנוסו ונבדקו במשך עשרות שנים.

מול דרישות כאלה, אין זה מפתיע שכמעט אף אחד לא מנסה לערער לחלוטין את הפרדיגמה הקיימת בפיזיקה. ואם כן, זה לא נלקח ברצינות כלל, שכן הוא נקלע במהירות לבדיקות פשוטות. אז, אם אנחנו רואים חורים פוטנציאליים, אז אלה רק מחזירי אור, המסמנים שמשהו זורח איפשהו, אבל לא ברור אם בכלל כדאי ללכת לשם.

פיזיקה ידועה לא יכולה להתמודד עם היקום

דוגמאות לשימר של "החדש והשונה לגמרי" הזה? ובכן, למשל, תצפיות על קצב הרתיעה, שנראות לא עולות בקנה אחד עם האמירה שהיקום מלא רק בחלקיקים של המודל הסטנדרטי ומציית לתורת היחסות הכללית. אנו יודעים שמקורות בודדים של כוח הכבידה, גלקסיות, צבירי גלקסיות ואפילו הרשת הקוסמית הגדולה אינם מספיקים אולי כדי להסביר את התופעה הזו. אנו יודעים שלמרות שהמודל הסטנדרטי קובע שחומר ואנטי-חומר צריכים להיווצר ולהרוס בכמויות שוות, אנו חיים ביקום המורכב ברובו מחומר עם כמות קטנה של אנטי-חומר. במילים אחרות, אנו רואים ש"פיזיקה ידועה" אינה יכולה להסביר את כל מה שאנו רואים ביקום.

ניסויים רבים הניבו תוצאות בלתי צפויות שאם ייבדקו ברמה גבוהה יותר, עלולות להיות מהפכניות. אפילו מה שנקרא אנומליה אטומית המעידה על קיומם של חלקיקים יכולה להיות שגיאה ניסויית, אבל היא גם יכולה להיות סימן של מעבר למודל הסטנדרטי. שיטות שונות למדידת היקום נותנות ערכים שונים לקצב ההתפשטות שלו - בעיה שחשבנו עליה בפירוט באחד מהגליונות האחרונים של MT.

עם זאת, אף אחת מהחריגות הללו לא נותנת תוצאות משכנעות מספיק כדי להיחשב כסימן שאין עוררין על הפיזיקה החדשה. כל אלה או כולם עשויים להיות פשוט תנודות סטטיסטיות או מכשיר מכויל שגוי. רבים מהם עשויים להצביע על פיזיקה חדשה, אך באותה קלות ניתן להסביר אותם באמצעות חלקיקים ותופעות ידועות בהקשר של תורת היחסות הכללית והמודל הסטנדרטי.

אנו מתכננים להתנסות, בתקווה לתוצאות ברורות יותר והמלצות. בקרוב אולי נראה אם ​​לאנרגיה אפלה יש ערך קבוע. מבוסס על מחקרי גלקסיות מתוכננים על ידי מצפה הכוכבים ורה רובין ונתונים על סופרנובות מרוחקות שיהפכו לזמינות בעתיד. טלסקופ ננסי גרייס, בעבר WFIRST, עלינו לברר אם אנרגיה אפלה מתפתחת עם הזמן עד ל-1%. אם כן, אז יהיה צורך לשנות את המודל הקוסמולוגי ה"סטנדרטי" שלנו. יתכן שגם אנטנת אינטרפרומטר לייזר החלל (LISA) מבחינת התוכנית תעניק לנו הפתעות. בקיצור, אנחנו סומכים על רכבי התצפית והניסויים שאנחנו מתכננים.

אנחנו גם עדיין עובדים בתחום הפיזיקה של החלקיקים, בתקווה למצוא תופעות מחוץ למודל, כמו מדידה מדויקת יותר של המומנטים המגנטיים של האלקטרון והמיואון - אם הם לא יסכימו, תופיע פיזיקה חדשה. אנחנו עובדים כדי להבין איך הם משתנים נייטרינו – גם כאן זורחת פיסיקה חדשה. ואם נבנה מתנגש אלקטרוני-פוזיטרון מדויק, מעגלי או ליניארי (2), נוכל לזהות דברים מעבר למודל הסטנדרטי שה-LHC עדיין לא יכול לזהות. בעולם הפיזיקה הוצעה כבר מזמן גרסה גדולה יותר של LHC עם היקף של עד 100 ק"מ. זה ייתן אנרגיות התנגשות גבוהות יותר, שלפי פיסיקאים רבים, סוף סוף יאותת על תופעות חדשות. עם זאת, מדובר בהשקעה יקרה ביותר, ובניית ענק רק על העיקרון - "בואו נבנה אותה ונראה מה היא תראה לנו" מעוררת הרבה תהיות.

2. מתנגש לפטון ליניארי - הדמיה

ישנם שני סוגים של גישה לבעיות במדעי הפיזיקה. הראשון הוא גישה מורכבת, המורכב מתכנון צר של ניסוי או מצפה כוכבים לפתרון בעיה ספציפית. הגישה השנייה נקראת שיטת הכוח החמור.שמפתח ניסוי או מצפה כוכבים אוניברסלי דוחף גבולות כדי לחקור את היקום בצורה חדשה לגמרי מהגישות הקודמות שלנו. הראשון מכוון טוב יותר במודל הסטנדרטי. השני מאפשר לך למצוא עקבות של משהו נוסף, אבל, למרבה הצער, משהו זה לא מוגדר בדיוק. לפיכך, לשתי השיטות יש חסרונות.

חפש את מה שנקרא תיאוריית הכל (TUT), הגביע הקדוש של הפיזיקה, צריך להיות ממוקם בקטגוריה השנייה, מכיוון שלעתים קרובות זה מסתכם במציאת אנרגיות גבוהות יותר ויותר (3), שבהן הכוחות של הטבע מתאחד בסופו של דבר לאינטראקציה אחת.

3. אנרגיות הנדרשות לאיחוד היפותטי של אינטראקציות

נייטרינו ניספורן

לאחרונה, המדע התמקד יותר ויותר בתחומים מעניינים יותר, כמו חקר ניטרינו, עליו פרסמנו לאחרונה דו"ח נרחב ב-MT. בפברואר 2020, כתב העת Astrophysical Journal פרסם פרסום על גילוי נויטרינו עתירי אנרגיה ממקור לא ידוע באנטארקטיקה. בנוסף לניסוי הידוע, בוצע מחקר גם ביבשת הכפורה בשם הקוד ANITA (), המורכב משחרור של בלון עם חיישן גלי רדיו.

שניהם וגם ANITA נועדו לחפש גלי רדיו מניטרינו בעלי אנרגיה גבוהה המתנגשים בחומר המוצק המרכיב את הקרח. אבי לוב, יו"ר המחלקה לאסטרונומיה בהרווארד, הסביר באתר סלון: "האירועים שזוהה על ידי ANITA בהחלט נראים כמו אנומליה מכיוון שלא ניתן להסבירם כנייטרינים ממקורות אסטרופיזיים. (...) זה יכול להיות סוג של חלקיק שמקיים אינטראקציה חלשה יותר מניטרינו עם חומר רגיל. אנו חושדים שחלקיקים כאלה קיימים כחומר אפל. אבל מה הופך את אירועי ANITA לכל כך אנרגטיים?

ניטרינו הם החלקיקים היחידים שידוע להם שהפרו את המודל הסטנדרטי. לפי המודל הסטנדרטי של חלקיקים אלמנטריים, חייבים להיות לנו שלושה סוגים של ניטרינו (אלקטרוני, מיאון וטאו) ושלושה סוגים של אנטי-נייטרינו, ולאחר היווצרותם עליהם להיות יציבים וללא שינוי בתכונותיהם. מאז שנות ה-60, כשהופיעו החישובים והמדידות הראשונים של ניטרינו שייצרה השמש, הבנו שיש בעיה. ידענו בכמה נייטרינו אלקטרונים נוצרו ליבה סולארית. אבל כשמדדנו כמה הגיעו, ראינו רק שליש מהמספר החזוי.

או שמשהו לא בסדר בגלאים שלנו, או שמשהו לא בסדר במודל השמש שלנו, או שמשהו לא בסדר בניטרינו עצמם. ניסויים בכור הפריכו במהירות את הרעיון שמשהו לא בסדר עם הגלאים שלנו (4). הם עבדו כצפוי והביצועים שלהם דורגו טוב מאוד. הנייטרינים שזיהינו נרשמו ביחס למספר הנייטרינים שהגיעו. במשך עשרות שנים, אסטרונומים רבים טענו שהמודל הסולארי שלנו שגוי.

4. תמונות של אירועי נייטרינו בקרינת צ'רנקוב מגלאי הסופר קמיוקנדה

כמובן, הייתה אפשרות אקזוטית נוספת, שאם היא נכונה, תשנה את הבנתנו את היקום ממה שחזה המודל הסטנדרטי. הרעיון הוא שלשלושת סוגי הנייטרינים שאנו מכירים יש למעשה מסה, לא רָזֶה, ושהם יכולים לערבב (לתנודות) כדי לשנות טעמים אם יש להם מספיק אנרגיה. אם הנייטרינו מופעל אלקטרונית, הוא יכול להשתנות בדרך אל muon i taonovאבל זה אפשרי רק כאשר יש לו מסה. מדענים מודאגים מהבעיה של נויטרינו ימניים ושמאליים. שכן אם אינך יכול להבחין בו, אינך יכול להבחין אם הוא חלקיק או אנטי-חלקיק.

האם ניטרינו יכול להיות אנטי-חלקיק של עצמו? לא לפי הדגם הסטנדרטי הרגיל. פרמיוניםבאופן כללי הם לא צריכים להיות אנטי-חלקיקים של עצמם. פרמיון הוא כל חלקיק עם סיבוב של ± XNUMX/XNUMX. קטגוריה זו כוללת את כל הקווארקים והלפטונים, כולל ניטרינו. עם זאת, ישנו סוג מיוחד של פרמיונים, שעד כה קיים רק בתיאוריה - ה- Majorana fermion, שהוא אנטי-חלקיק של עצמו. אם זה היה קיים, אולי משהו מיוחד היה קורה... ללא נייטרינו ריקבון בטא כפול. והנה הזדמנות לנסיינים שחיפשו פער כזה כבר הרבה זמן.

בכל התהליכים הנצפים הכוללים ניטרינו, חלקיקים אלה מציגים תכונה שפיזיקאים מכנים שמאליות. ניטרינו ימניים, שהם הרחבה הטבעית ביותר של המודל הסטנדרטי, לא ניתן לראות בשום מקום. לכל שאר חלקיקי הטרשת הנפוצה יש גרסה ימנית, אבל לנייטרינו אין. למה? הניתוח האחרון, המקיף ביותר של צוות בינלאומי של פיזיקאים, כולל המכון לפיזיקה גרעינית של האקדמיה הפולנית למדעים (IFJ PAN) בקרקוב, ערך מחקר בנושא זה. מדענים מאמינים שהעדר תצפית בניטרינו ימניים יכול להוכיח שהם פרמיוני מיורנה. אם היו, אז הגרסה הימנית שלהם היא מסיבית ביותר, מה שמסביר את הקושי בזיהוי.

עם זאת, אנחנו עדיין לא יודעים אם ניטרינו הם אנטי-חלקיקים בעצמם. אנחנו לא יודעים אם הם מקבלים את המסה שלהם מהקישור החלש מאוד של בוזון היגס, או שהם מקבלים אותה דרך מנגנון אחר. ואנחנו לא יודעים, אולי גזרת הניטרינו מורכבת הרבה יותר ממה שאנחנו חושבים, כשנייטרינים סטריליים או כבדים אורבים בחושך.

אטומים וחריגות אחרות

בפיזיקה של החלקיקים היסודיים, מלבד הנייטרינו האופנתיים, ישנם תחומי מחקר נוספים, פחות מוכרים, שמהם יכולה "פיזיקה חדשה" לזרוח. מדענים, למשל, הציעו לאחרונה סוג חדש של חלקיקים תת-אטומיים כדי להסביר את החידתי התפוררות כמו (5), מקרה מיוחד של חלקיק מיסון המורכב מ קווארק אחד i סוחר עתיקות אחד. כאשר חלקיקי קאון מתכלים, חלק קטן מהם עובר שינויים שהפתיעו את המדענים. הסגנון של ריקבון זה עשוי להצביע על סוג חדש של חלקיקים או כוח פיזי חדש בעבודה. זה מחוץ לתחום המודל הסטנדרטי.

ישנם ניסויים נוספים כדי למצוא פערים במודל הסטנדרטי. אלה כוללים את החיפוש אחר ה-g-2 מיואון. לפני כמעט מאה שנים, חזה הפיזיקאי פול דיראק את המומנט המגנטי של אלקטרון באמצעות g, מספר שקובע את תכונות הספין של חלקיק. ואז המדידות הראו ש"g" שונה מעט מ-2, ופיזיקאים החלו להשתמש בהבדל בין הערך האמיתי של "g" ל-2 כדי לחקור את המבנה הפנימי של חלקיקים תת-אטומיים ואת חוקי הפיזיקה בכלל. בשנת 1959, CERN בז'נבה, שוויץ, ערכה את הניסוי הראשון שמדד את ערך ה-g-2 של חלקיק תת-אטומי הנקרא מיאון, קשור לאלקטרון אך לא יציב וכבד פי 207 מחלקיק יסודי.

המעבדה הלאומית ברוקהייבן בניו יורק התחילה ניסוי משלה ופרסמה את תוצאות ניסוי ה-g-2 שלהם ב-2004. המדידה לא הייתה מה שחזה המודל הסטנדרטי. עם זאת, הניסוי לא אסף מספיק נתונים לניתוח סטטיסטי כדי להוכיח באופן סופי שהערך הנמדד אכן שונה ולא רק תנודה סטטיסטית. מרכזי מחקר אחרים עושים כעת ניסויים חדשים עם g-2, וכנראה שנדע את התוצאות בקרוב.

יש משהו יותר מסקרן מזה חריגות קאון i muon. בשנת 2015, ניסוי על ריקבון של בריליום 8Be הראה חריגה. מדענים בהונגריה משתמשים בגלאי שלהם. ואולם, אגב, הם גילו, או חשבו שגילו, מה שמרמז על קיומו של כוח יסוד חמישי של הטבע.

פיזיקאים מאוניברסיטת קליפורניה התעניינו במחקר. הם הציעו שהתופעה תתקשר אנומליה אטומית, נגרם על ידי חלקיק חדש לחלוטין, שהיה אמור לשאת את כוח הטבע החמישי. הוא נקרא X17 מכיוון שהמסה המקבילה שלו נחשבת לכמעט 17 מיליון וולט אלקטרונים. זה פי 30 מהמסה של אלקטרון, אבל פחות ממסה של פרוטון. והאופן שבו X17 מתנהג עם פרוטון היא אחת התכונות המוזרות ביותר שלו - כלומר, הוא אינו מקיים אינטראקציה עם פרוטון כלל. במקום זאת, הוא מקיים אינטראקציה עם אלקטרון או נויטרון בעל מטען שלילי, שאין לו מטען כלל. זה מקשה על התאמה של חלקיק X17 לדגם הסטנדרטי הנוכחי שלנו. בוזונים קשורים לכוחות. גלוונים קשורים לכוח החזק, בוזונים עם הכוח החלש ופוטונים עם אלקטרומגנטיות. יש אפילו בוזון היפותטי לכוח הכבידה הנקרא גרביטון. בתור בוזון, X17 ישא כוח משלו, כמו זה שעד עכשיו היה לנו תעלומה ויכול להיות.

היקום והכיוון המועדף עליו?

במאמר שפורסם באפריל בכתב העת Science Advances, מדענים מאוניברסיטת ניו סאות' ויילס בסידני דיווחו כי מדידות חדשות של אור הנפלט על ידי קוואזר במרחק של 13 מיליארד שנות אור מאששות מחקרים קודמים שמצאו שינויים קטנים במבנה הקבוע העדין. של היקום. פרופסור ג'ון ווב מ-UNSW (6) מסביר שקבוע המבנה העדין "הוא כמות שהפיזיקאים משתמשים בה כמדד לכוח האלקטרומגנטי". כוח אלקטרומגנטי שומרת על אלקטרונים סביב הגרעינים בכל אטום ביקום. בלעדיו, כל החומר יתפרק. עד לאחרונה הוא נחשב לכוח קבוע בזמן ובמרחב. אבל במחקר שלו בשני העשורים האחרונים, פרופ' ווב הבחין באנומליה במבנה הדק המוצק שבו הכוח האלקטרומגנטי, הנמדד בכיוון אחד נבחר ביקום, נראה תמיד מעט שונה.

"" מסביר ווב. אי העקביות הופיעו לא במדידות של הצוות האוסטרלי, אלא בהשוואה לתוצאות שלהם עם מדידות רבות אחרות של אור קוואזר על ידי מדענים אחרים.

"" אומר פרופסור ווב. "". לדעתו, נראה שהתוצאות מצביעות על כך שאולי יש כיוון מועדף ביקום. במילים אחרות, ליקום יהיה במובן מסוים מבנה דיפול.

"" אומר המדען על החריגות המסומנות.

זה עוד משהו: במקום מה שנחשב להתפשטות אקראית של גלקסיות, קוואזרים, ענני גז וכוכבי לכת עם חיים, ליקום יש פתאום מקבילה צפונית ודרומית. פרופסור ווב בכל זאת מוכן להודות שתוצאות המדידות של מדענים שבוצעו בשלבים שונים תוך שימוש בטכנולוגיות שונות וממקומות שונים על פני כדור הארץ הן למעשה צירוף מקרים עצום.

ווב מציין שאם יש כיווניות ביקום, ואם יתברר שהאלקטרומגנטיות שונה במקצת באזורים מסוימים של הקוסמוס, יהיה צורך לבחון מחדש את המושגים הבסיסיים ביותר מאחורי חלק גדול מהפיסיקה המודרנית. "", מדבר. המודל מבוסס על תורת הכבידה של איינשטיין, אשר מניחה במפורש את קביעות חוקי הטבע. ואם לא, אז... המחשבה להפוך את כל המבנה של הפיזיקה היא עוצרת נשימה.