Vật lý mới tỏa sáng từ nhiều nơi

Bất kỳ thay đổi nào có thể xảy ra mà chúng tôi muốn thực hiện đối với Mô hình chuẩn của vật lý (1) hoặc thuyết tương đối rộng, hai lý thuyết tốt nhất (mặc dù không tương thích) của chúng tôi về vũ trụ, đều rất hạn chế. Nói cách khác, bạn không thể thay đổi nhiều nếu không phá hoại tổng thể.

Thực tế là cũng có những kết quả và hiện tượng không thể giải thích trên cơ sở các mô hình mà chúng ta đã biết. Vì vậy, chúng ta có nên cố gắng làm cho mọi thứ không thể giải thích được hoặc không nhất quán bằng bất cứ giá nào phù hợp với các lý thuyết hiện có, hay chúng ta nên tìm kiếm những lý thuyết mới? Đây là một trong những câu hỏi cơ bản của vật lý hiện đại.

Mô hình Chuẩn của vật lý hạt đã giải thích thành công tất cả các tương tác đã biết và được khám phá giữa các hạt từng được quan sát. Vũ trụ được tạo thành từ hạt quark, leptonov và đo boson, truyền ba trong bốn lực cơ bản trong tự nhiên và cung cấp cho các hạt khối lượng nghỉ của chúng. Thật không may, còn có thuyết tương đối rộng của chúng ta, không phải là thuyết lượng tử về lực hấp dẫn, nó mô tả mối quan hệ giữa không-thời gian, vật chất và năng lượng trong vũ trụ.

Khó khăn của việc vượt ra ngoài hai lý thuyết này là nếu bạn cố gắng thay đổi chúng bằng cách đưa vào các nguyên tố, khái niệm và đại lượng mới, bạn sẽ nhận được kết quả mâu thuẫn với các phép đo và quan sát mà chúng ta đã có. Cũng cần nhớ rằng nếu bạn muốn vượt ra ngoài khuôn khổ khoa học hiện tại của chúng ta, thì gánh nặng chứng minh là rất lớn. Mặt khác, thật khó để không mong đợi quá nhiều từ một người phá hoại các mô hình đã được thử nghiệm và thử nghiệm trong nhiều thập kỷ.

Trước những yêu cầu đó, không có gì ngạc nhiên khi hầu như không có ai cố gắng thách thức hoàn toàn mô hình vật lý hiện có. Và nếu có, nó không được coi trọng chút nào, vì nó nhanh chóng vấp phải các kiểm tra đơn giản. Vì vậy, nếu chúng ta nhìn thấy các lỗ tiềm ẩn, thì đây chỉ là những vật phản chiếu, báo hiệu rằng có thứ gì đó đang tỏa sáng ở đâu đó, nhưng không rõ liệu nó có đáng đến đó hay không.

Vật lý đã biết không thể xử lý vũ trụ

Ví dụ về độ lung linh của “hoàn toàn mới và khác” này? Chà, ví dụ, các quan sát về tốc độ giật lùi, dường như không phù hợp với tuyên bố rằng Vũ trụ chỉ chứa đầy các hạt của Mô hình Chuẩn và tuân theo thuyết tương đối rộng. Chúng ta biết rằng các nguồn hấp dẫn riêng lẻ, các thiên hà, cụm thiên hà và thậm chí cả mạng lưới vũ trụ vĩ đại có lẽ không đủ để giải thích hiện tượng này. Chúng ta biết rằng, mặc dù Mô hình Chuẩn tuyên bố rằng vật chất và phản vật chất nên được tạo ra và hủy diệt với lượng bằng nhau, nhưng chúng ta đang sống trong một vũ trụ bao gồm phần lớn là vật chất với một lượng nhỏ phản vật chất. Nói cách khác, chúng ta thấy rằng "vật lý đã biết" không thể giải thích mọi thứ chúng ta thấy trong vũ trụ.

Nhiều thí nghiệm đã mang lại những kết quả bất ngờ mà nếu được thử nghiệm ở cấp độ cao hơn, nó có thể là một cuộc cách mạng. Ngay cả cái gọi là Dị thường nguyên tử chỉ ra sự tồn tại của các hạt có thể là một lỗi thực nghiệm, nhưng nó cũng có thể là một dấu hiệu của việc vượt ra ngoài Mô hình Chuẩn. Các phương pháp đo lường khác nhau của vũ trụ đưa ra các giá trị khác nhau cho tốc độ giãn nở của nó - một vấn đề mà chúng tôi đã xem xét chi tiết trong một trong những số báo gần đây của MT.

Tuy nhiên, không một dị thường nào trong số này cho kết quả đủ thuyết phục để được coi là dấu hiệu không thể chối cãi của vật lý mới. Bất kỳ hoặc tất cả những điều này có thể chỉ đơn giản là dao động thống kê hoặc một thiết bị được hiệu chuẩn không chính xác. Nhiều người trong số họ có thể chỉ ra vật lý mới, nhưng chúng có thể dễ dàng được giải thích bằng cách sử dụng các hạt và hiện tượng đã biết trong bối cảnh của thuyết tương đối rộng và Mô hình Chuẩn.

Chúng tôi dự định thử nghiệm, hy vọng sẽ có kết quả và khuyến nghị rõ ràng hơn. Chúng ta có thể sớm biết liệu năng lượng tối có giá trị không đổi hay không. Dựa trên các nghiên cứu về thiên hà đã được lên kế hoạch của Đài quan sát Vera Rubin và dữ liệu về các siêu tân tinh ở xa sẽ được cung cấp trong tương lai. kính thiên văn ân sủng nancy, trước đây là WFIRST, chúng ta cần tìm hiểu xem liệu năng lượng tối có phát triển theo thời gian trong phạm vi 1% hay không. Nếu vậy, thì mô hình vũ trụ "tiêu chuẩn" của chúng ta sẽ phải thay đổi. Có thể ăng-ten giao thoa kế laser vũ trụ (LISA) về mặt kế hoạch cũng sẽ mang đến cho chúng ta những bất ngờ. Nói tóm lại, chúng tôi đang dựa vào các phương tiện quan sát và thí nghiệm mà chúng tôi đang lên kế hoạch.

Chúng tôi vẫn đang làm việc trong lĩnh vực vật lý hạt, với hy vọng tìm ra các hiện tượng bên ngoài Mô hình, chẳng hạn như phép đo chính xác hơn các mômen từ của electron và muon - nếu chúng không đồng ý, vật lý mới sẽ xuất hiện. Chúng tôi đang làm việc để tìm ra cách chúng dao động neutrino – ở đây cũng vậy, vật lý mới tỏa sáng. Và nếu chúng ta xây dựng một máy va chạm electron-positron chính xác, hình tròn hoặc tuyến tính (2), chúng ta có thể phát hiện ra những thứ nằm ngoài Mô hình Chuẩn mà LHC chưa thể phát hiện ra. Trong thế giới vật lý, một phiên bản lớn hơn của LHC với chu vi lên tới 100 km đã được đề xuất từ ​​​​lâu. Điều này sẽ mang lại năng lượng va chạm cao hơn, mà theo nhiều nhà vật lý, cuối cùng sẽ báo hiệu những hiện tượng mới. Tuy nhiên, đây là một khoản đầu tư cực kỳ tốn kém và việc xây dựng một người khổng lồ chỉ theo nguyên tắc - "hãy xây dựng nó và xem những gì nó sẽ cho chúng ta thấy" đặt ra rất nhiều nghi ngờ.

2. Máy va chạm lepton tuyến tính - trực quan

Có hai kiểu tiếp cận các vấn đề trong khoa học vật lý. Đầu tiên là một cách tiếp cận phức tạp, bao gồm thiết kế hẹp của một thí nghiệm hoặc một đài quan sát để giải quyết một vấn đề cụ thể. Cách tiếp cận thứ hai được gọi là phương pháp vũ phu.người phát triển một thí nghiệm hoặc đài quan sát phổ, đẩy ranh giới để khám phá vũ trụ theo một cách hoàn toàn mới so với các cách tiếp cận trước đây của chúng tôi. Đầu tiên là định hướng tốt hơn trong Mô hình Chuẩn. Thứ hai cho phép bạn tìm thấy dấu vết của thứ gì đó nhiều hơn, nhưng, thật không may, thứ này không được xác định chính xác. Vì vậy, cả hai phương pháp đều có nhược điểm của chúng.

Hãy tìm cái gọi là Lý thuyết vạn vật (TUT), chén thánh vật lý, nên được xếp vào loại thứ hai, vì nó thường đi vào việc tìm kiếm các năng lượng ngày càng cao (3), tại đó các lực của bản chất cuối cùng kết hợp thành một tương tác.

3. Năng lượng cần thiết để thống nhất giả định các tương tác

Nisforn neutrino

Gần đây, khoa học ngày càng tập trung nhiều hơn vào các lĩnh vực thú vị hơn, chẳng hạn như nghiên cứu neutrino, mà gần đây chúng tôi đã công bố một báo cáo mở rộng trên tạp chí MT. Vào tháng 2020 năm XNUMX, Tạp chí Vật lý Thiên văn đã xuất bản một ấn phẩm về việc phát hiện ra các hạt neutrino năng lượng cao không rõ nguồn gốc ở Nam Cực. Ngoài thí nghiệm nổi tiếng, nghiên cứu cũng được thực hiện trên lục địa băng giá với tên mã ANITA (), bao gồm việc thả một quả bóng bay có cảm biến sóng radio.

Cả hai và ANITA đều được thiết kế để tìm kiếm sóng vô tuyến từ các hạt neutrino năng lượng cao va chạm với vật chất rắn tạo nên băng. Avi Loeb, Chủ tịch Khoa Thiên văn Harvard, giải thích trên trang web Salon: “Các sự kiện do ANITA phát hiện chắc chắn có vẻ như là một sự bất thường bởi vì chúng không thể được giải thích là neutrino từ các nguồn vật lý thiên văn. (...) Nó có thể là một loại hạt nào đó tương tác yếu hơn hạt neutrino với vật chất thông thường. Chúng tôi nghi ngờ rằng những hạt như vậy tồn tại dưới dạng vật chất tối. Nhưng điều gì làm cho các sự kiện ANITA trở nên tràn đầy năng lượng? ”

Neutrino là hạt duy nhất được biết là vi phạm Mô hình Chuẩn. Theo Mô hình Chuẩn của các hạt cơ bản, chúng ta phải có ba loại neutrino (điện tử, muon và tau) và ba loại phản neutrino, và sau khi hình thành chúng phải ổn định và không thay đổi về đặc tính. Kể từ những năm 60, khi các phép tính và phép đo neutrino đầu tiên do Mặt trời tạo ra xuất hiện, chúng tôi nhận ra rằng có một vấn đề. Chúng tôi biết có bao nhiêu hạt neutrino electron được hình thành trong lõi năng lượng mặt trời. Nhưng khi chúng tôi đo xem có bao nhiêu chiếc đến, chúng tôi chỉ thấy một phần ba con số dự đoán.

Có điều gì đó không ổn với các máy dò của chúng ta, hoặc có điều gì đó không ổn với mô hình Mặt trời của chúng ta, hoặc có điều gì đó không ổn với chính các hạt neutrino. Các thí nghiệm lò phản ứng nhanh chóng bác bỏ quan điểm cho rằng có điều gì đó không ổn với máy dò của chúng tôi (4). Họ đã làm việc như mong đợi và màn trình diễn của họ được đánh giá rất tốt. Các neutrino mà chúng tôi phát hiện được đã đăng ký tương ứng với số lượng neutrino đến. Trong nhiều thập kỷ, nhiều nhà thiên văn học đã tranh luận rằng mô hình mặt trời của chúng ta là sai.

4. Hình ảnh về sự kiện neutrino trong bức xạ Cherenkov từ máy dò Super Kamiokande

Tất nhiên, có một khả năng kỳ lạ khác, nếu đúng, sẽ thay đổi hiểu biết của chúng ta về vũ trụ so với những gì Mô hình Chuẩn đã dự đoán. Ý tưởng là ba loại neutrino mà chúng ta biết thực sự có khối lượng, không độ nghiêng, và chúng có thể trộn lẫn (dao động) để thay đổi hương vị nếu chúng có đủ năng lượng. Nếu neutrino được kích hoạt bằng điện tử, nó có thể thay đổi theo cách muon i taonsnhưng điều này chỉ có thể thực hiện được khi nó có khối lượng. Các nhà khoa học lo ngại về vấn đề neutrino thuận tay phải và trái. Vì nếu bạn không thể phân biệt nó, bạn không thể phân biệt nó là một hạt hay một phản hạt.

Một neutrino có thể là phản hạt của chính nó không? Không theo Mô hình Chuẩn thông thường. Fermionnói chung chúng không nên là phản hạt của chính chúng. Fermion là bất kỳ hạt nào có chuyển động quay ± XNUMX/XNUMX. Loại này bao gồm tất cả các hạt quark và lepton, kể cả neutrino. Tuy nhiên, có một loại fermion đặc biệt, cho đến nay chỉ tồn tại trên lý thuyết - fermion Majorana, là phản hạt của chính nó. Nếu nó tồn tại, điều gì đó đặc biệt có thể đang xảy ra ... neutrino miễn phí phân rã beta kép. Và đây là cơ hội cho những người thử nghiệm từ lâu đã tìm kiếm một lỗ hổng như vậy.

Trong tất cả các quá trình quan sát được liên quan đến neutrino, những hạt này thể hiện một đặc tính mà các nhà vật lý gọi là thuận tay trái. Các neutrino thuận tay phải, là phần mở rộng tự nhiên nhất của Mô hình Chuẩn, không được nhìn thấy ở đâu. Tất cả các hạt MS khác đều có phiên bản thuận tay phải, nhưng neutrino thì không. Tại sao? Phân tích mới nhất, cực kỳ toàn diện của một nhóm các nhà vật lý quốc tế, bao gồm Viện Vật lý Hạt nhân của Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan (IFJ PAN) ở Krakow, đã thực hiện nghiên cứu về vấn đề này. Các nhà khoa học tin rằng việc thiếu quan sát các hạt neutrino thuận tay phải có thể chứng minh rằng chúng là các fermion Majorana. Nếu là chúng, thì phiên bản bên phải của chúng cực kỳ lớn, điều này giải thích cho việc phát hiện khó khăn.

Tuy nhiên, chúng ta vẫn không biết liệu neutrino có phải là phản hạt hay không. Chúng ta không biết liệu họ có được khối lượng của mình từ sự liên kết rất yếu của boson Higgs hay họ nhận được nó thông qua một số cơ chế khác. Và chúng ta không biết, có thể lĩnh vực neutrino phức tạp hơn chúng ta nghĩ rất nhiều, với những neutrino vô trùng hoặc nặng ẩn nấp trong bóng tối.

Nguyên tử và các dị thường khác

Trong vật lý hạt cơ bản, bên cạnh các hạt neutrino thời thượng, còn có các lĩnh vực nghiên cứu khác, ít được biết đến hơn mà từ đó "vật lý mới" có thể tỏa sáng. Ví dụ, các nhà khoa học gần đây đã đề xuất một loại hạt hạ nguyên tử mới để giải thích bí ẩn phân rã kaon (5), một trường hợp đặc biệt của hạt meson bao gồm một quark i một đại lý đồ cổ. Khi các hạt kaon phân rã, một phần nhỏ trong số chúng trải qua những thay đổi khiến các nhà khoa học ngạc nhiên. Kiểu phân rã này có thể chỉ ra một loại hạt mới hoặc một lực vật lý mới đang hoạt động. Điều này nằm ngoài phạm vi của Mô hình chuẩn.

Có nhiều thử nghiệm hơn để tìm ra những khoảng trống trong Mô hình Chuẩn. Chúng bao gồm việc tìm kiếm muon g-2. Gần một trăm năm trước, nhà vật lý Paul Dirac đã dự đoán mômen từ của một electron bằng cách sử dụng g, một con số xác định tính chất spin của một hạt. Sau đó, các phép đo cho thấy "g" hơi khác 2, và các nhà vật lý bắt đầu sử dụng sự khác biệt giữa giá trị thực của "g" và 2 để nghiên cứu cấu trúc bên trong của các hạt hạ nguyên tử và các định luật vật lý nói chung. Năm 1959, CERN ở Geneva, Thụy Sĩ, thực hiện thí nghiệm đầu tiên đo giá trị g-2 của một hạt hạ nguyên tử gọi là muon, liên kết với một electron nhưng không ổn định và nặng hơn hạt cơ bản 207 lần.

Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở New York bắt đầu thử nghiệm của riêng mình và công bố kết quả thí nghiệm g-2 của họ vào năm 2004. Phép đo không giống như Mô hình Chuẩn đã dự đoán. Tuy nhiên, thử nghiệm không thu thập đủ dữ liệu để phân tích thống kê để chứng minh một cách kết luận rằng giá trị đo được thực sự khác nhau và không chỉ là một biến động thống kê. Các trung tâm nghiên cứu khác hiện đang tiến hành các thí nghiệm mới với g-2, và chúng ta có thể sẽ sớm biết kết quả.

Có một cái gì đó hấp dẫn hơn thế này Kaon dị thường i muon. Vào năm 2015, một thí nghiệm về sự phân hủy của berili 8Be đã cho thấy một sự bất thường. Các nhà khoa học ở Hungary sử dụng máy dò của họ. Tuy nhiên, tình cờ, họ phát hiện ra hoặc nghĩ rằng họ đã khám phá ra, điều này cho thấy sự tồn tại của lực cơ bản thứ năm của tự nhiên.

Các nhà vật lý từ Đại học California bắt đầu quan tâm đến nghiên cứu này. Họ gợi ý rằng hiện tượng được gọi là dị thường nguyên tử, được gây ra bởi một hạt hoàn toàn mới, được cho là mang lực thứ năm của tự nhiên. Nó được gọi là X17 vì khối lượng tương ứng của nó được cho là gần 17 triệu vôn điện tử. Khối lượng này gấp 30 lần khối lượng của một electron, nhưng nhỏ hơn khối lượng của một proton. Và cách X17 ứng xử với một proton là một trong những đặc điểm kỳ lạ nhất của nó - đó là nó hoàn toàn không tương tác với một proton. Thay vào đó, nó tương tác với một electron hoặc neutron mang điện tích âm, không mang điện tích nào cả. Điều này gây khó khăn cho việc lắp hạt X17 vào Mô hình chuẩn hiện tại của chúng tôi. Bosons được liên kết với các lực lượng. Gluon được liên kết với lực mạnh, boson với lực yếu và photon với lực điện từ. Thậm chí còn có một boson giả thuyết cho lực hấp dẫn được gọi là graviton. Là một boson, X17 sẽ mang một lực lượng của riêng nó, chẳng hạn như lực lượng mà cho đến nay vẫn còn là một bí ẩn đối với chúng ta và có thể là như vậy.

Vũ trụ và hướng ưu tiên của nó?

Trong một bài báo được xuất bản vào tháng 13 năm nay trên tạp chí Science Advances, các nhà khoa học tại Đại học New South Wales ở Sydney đã báo cáo rằng các phép đo mới về ánh sáng phát ra bởi một chuẩn tinh cách xa XNUMX tỷ năm ánh sáng xác nhận các nghiên cứu trước đây đã tìm thấy những biến thể nhỏ trong cấu trúc hằng số nhỏ. của vũ trụ. Giáo sư John Webb từ UNSW (6) giải thích rằng hằng số cấu trúc mịn "là một đại lượng mà các nhà vật lý dùng làm thước đo lực điện từ." lực điện từ duy trì các electron xung quanh hạt nhân trong mọi nguyên tử trong vũ trụ. Nếu không có nó, tất cả mọi thứ sẽ sụp đổ. Cho đến gần đây, nó được coi là một lực không đổi trong thời gian và không gian. Nhưng trong nghiên cứu của mình trong hai thập kỷ qua, Giáo sư Webb đã nhận thấy sự bất thường trong cấu trúc mịn rắn, trong đó lực điện từ, được đo theo một hướng đã chọn trong vũ trụ, dường như luôn hơi khác.

"" Webb giải thích. Sự mâu thuẫn không xuất hiện trong các phép đo của nhóm nghiên cứu Australia, mà là khi so sánh kết quả của họ với nhiều phép đo ánh sáng chuẩn tinh của các nhà khoa học khác.

"" Giáo sư Webb nói. "". Theo ý kiến ​​của ông, kết quả dường như cho thấy có thể có một hướng ưu tiên trong vũ trụ. Nói cách khác, vũ trụ theo một nghĩa nào đó sẽ có cấu trúc lưỡng cực.

"" Nhà khoa học nói về những điểm bất thường được đánh dấu.

Đây là một điều nữa: thay vì những gì được cho là sự trải rộng ngẫu nhiên của các thiên hà, chuẩn tinh, đám mây khí và hành tinh có sự sống, vũ trụ đột nhiên có một đối tác phía bắc và phía nam. Tuy nhiên, Giáo sư Webb đã sẵn sàng thừa nhận rằng kết quả của các phép đo do các nhà khoa học thực hiện ở các giai đoạn khác nhau bằng cách sử dụng các công nghệ khác nhau và từ những nơi khác nhau trên Trái đất thực tế là một sự trùng hợp rất lớn.

Webb chỉ ra rằng nếu có tính định hướng trong vũ trụ, và nếu điện từ hóa ra hơi khác ở một số vùng nhất định của vũ trụ, thì các khái niệm cơ bản nhất đằng sau phần lớn vật lý hiện đại sẽ cần phải được xem xét lại. "", nói. Mô hình này dựa trên thuyết hấp dẫn của Einstein, thuyết này giả định rõ ràng về sự không đổi của các định luật tự nhiên. Và nếu không, thì ... ý nghĩ xoay chuyển toàn bộ tòa nhà vật lý thật ngoạn mục.