Nei Physik blénkt vu ville Plazen duerch

All méiglech Ännerungen, déi mir gäre maache fir de Standardmodell vun der Physik (1) oder allgemeng Relativitéitstheorie, eis zwou bescht (awer inkompatibel) Theorien vum Universum, si scho ganz limitéiert. An anere Wierder, Dir kënnt net vill änneren ouni dat Ganzt ze ënnergruewen.

D'Tatsaach ass datt et och Resultater a Phänomener gëtt, déi net op Basis vun de Modeller déi eis bekannt sinn erkläert kënne ginn. Also solle mir aus eisem Wee goen fir alles onerklärbar oder inkonsistent zu all Präis konsequent mat existéierenden Theorien ze maachen, oder solle mir no neier sichen? Dëst ass eng vun de fundamentale Froen vun der moderner Physik.

De Standardmodell vun der Partikelphysik huet erfollegräich all bekannt an entdeckt Interaktiounen tëscht Partikelen erkläert, déi jeemools observéiert goufen. Den Universum besteet aus Quarks, leptonov a Jaugebosonen, déi dräi vun de véier fundamental Kräften an der Natur iwwerdroen a Partikelen hir Reschtmass ginn. Et gëtt och allgemeng Relativitéitstheorie, eis, leider, keng Quantetheorie vun der Schwéierkraaft, déi d'Relatioun tëscht Raumzäit, Matière an Energie am Universum beschreift.

D'Schwieregkeet fir iwwer dës zwou Theorien erauszekommen ass datt wann Dir probéiert se z'änneren andeems Dir nei Elementer, Konzepter a Quantitéiten agefouert hutt, kritt Dir Resultater déi d'Messungen an d'Observatiounen widdersprécht déi mir scho hunn. Et ass och derwäert ze erënneren datt wann Dir iwwer eisen aktuelle wëssenschaftleche Kader erausgoe wëllt, d'Beweislaascht enorm ass. Op der anerer Säit ass et schwéier net esou vill vun engem ze erwaarden deen Modeller ënnersträicht déi zënter Joerzéngte besicht a getest goufen.

Am Gesiicht vun esou Fuerderungen ass et net iwwerraschend datt kaum iergendeen probéiert dat existent Paradigma an der Physik komplett erauszefuerderen. A wann et geschitt, gëtt et guer net eescht geholl, well et séier op einfache Schecken trëppelt. Also, wa mir potenziell Lächer gesinn, da sinn dat just Reflektoren, déi signaliséieren datt iergendwou eppes blénkt, awer et ass net kloer ob et iwwerhaapt derwäert ass dohinner ze goen.

Bekannt Physik kann den Universum net handhaben

Beispiller vum Schimmer vun dësem "ganz nei an anescht"? Gutt, zum Beispill, Observatioune vun der Recoil Taux, déi net konsequent mat der Ausso schéngen datt den Universum nëmme mat Partikele vum Standardmodell gefëllt ass an déi allgemeng Relativitéitstheorie befollegt. Mir wëssen, datt eenzel Quelle vun der Schwéierkraaft, Galaxien, Galaxiëkoup, a souguer de grousse kosmesche Web net genuch sinn fir dëst Phänomen z'erklären, vläicht. Mir wëssen datt, obwuel de Standardmodell seet datt Matière an Antimaterie solle geschaf an zerstéiert ginn a gläiche Quantitéiten, mir liewen an engem Universum dat meeschtens aus Matière mat enger klenger Quantitéit Antimaterie besteet. An anere Wierder, mir gesinn datt "bekannt Physik" net alles erkläre kann wat mir am Universum gesinn.

Vill Experimenter hunn onerwaart Resultater geliwwert, déi, wann se op engem méi héijen Niveau getest ginn, revolutionär kéinte sinn. Och déi sougenannt Atom Anomalie, déi d'Existenz vu Partikelen uginn, kann en experimentellen Feeler sinn, awer et kann och en Zeeche sinn, iwwer de Standardmodell erauszekommen. Verschidde Methoden fir den Universum ze moossen ginn verschidde Wäerter fir den Taux vu senger Expansioun - e Problem dee mir am Detail an enger vun de rezenten Ausgaben vum MT betruecht hunn.

Wéi och ëmmer, keng vun dësen Anomalien gëtt genuch iwwerzeegend Resultater fir als indisputable Zeeche vun der neier Physik ugesi ze ginn. All oder all vun dësen kënnen einfach statistesch Schwankungen oder e falsch kalibréiert Instrument sinn. Vill vun hinne kënnen op nei Physik weisen, awer si kënne grad esou einfach mat bekannte Partikelen a Phänomener am Kontext vun der allgemenger Relativitéitstheorie an dem Standardmodell erkläert ginn.

Mir plangen ze experimentéieren, an hoffen op méi kloer Resultater a Empfehlungen. Mir kënne geschwënn gesinn ob donkel Energie e konstante Wäert huet. Baséiert op geplangte Galaxisstudien vum Vera Rubin Observatoire an Donnéeën iwwer wäit Supernovaen, déi an Zukunft zur Verfügung gestallt ginn. Nancy Grace Teleskop, virdrun WFIRST, musse mir erausfannen, ob donkel Energie mat der Zäit bis innerhalb 1% evoluéiert. Wa jo, da muss eise "Standard" kosmologesche Modell geännert ginn. Et ass méiglech datt d'Raum Laser Interferometer Antenne (LISA) a punkto Plang eis och Iwwerraschungen gëtt. Kuerz gesot, mir zielen op d'Observatiounsautoen an Experimenter déi mir plangen.

Mir schaffen och nach ëmmer am Beräich vun der Partikelphysik, an der Hoffnung Phenomener ausserhalb vum Modell ze fannen, wéi eng méi genee Miessung vun de magnetesche Momenter vum Elektron a vum Muon - wa se net averstane sinn, da kënnt nei Physik op. Mir schaffen fir erauszefannen wéi se fluktuéieren neutrino – och hei blénkt nei Physik duerch. A wa mir e genee Elektronen-Positronenkollider bauen, kreesfërmeg oder linear (2), kënne mir Saachen iwwer de Standardmodell erkennen, déi den LHC nach net erkennen kann. An der Welt vun der Physik gëtt laang eng méi grouss Versioun vum LHC mat engem Ëmfang vu bis zu 100 km proposéiert. Dëst géif méi héich Kollisiounsenergie ginn, déi, laut ville Physiker, endlech nei Phänomener signaliséieren. Allerdéngs ass dëst eng extrem deier Investitioun, an de Bau vun engem Ris nëmmen op de Prinzip - "Loosst eis et bauen a kucken wat et eis wäert weisen" vill Zweifel.

2. Linearschrëft Lepton Collider - Visualiséierung

Et ginn zwou Aarte vu Approche fir Probleemer an der kierperlecher Wëssenschaft. Déi éischt ass eng komplex Approche, deen aus dem schmuele Design vun engem Experiment oder engem Observatoire besteet fir e spezifesche Problem ze léisen. Déi zweet Approche gëtt d'Brute Force Method genannt.deen en universellen, Grenzdréckend Experiment oder Observatoire entwéckelt fir den Universum op eng komplett nei Manéier ze entdecken wéi eis fréier Approchen. Déi éischt ass besser am Standardmodell orientéiert. Déi zweet erlaabt Iech Spuere vun eppes méi ze fannen, awer leider ass dëst eppes net genau definéiert. Also, béid Methoden hunn hir Nodeeler.

Sich no der sougenannter Theory of Everything (TUT), den Hellege Graal vun der Physik, soll an der zweeter Kategorie plazéiert ginn, well et méi dacks drop geet, ëmmer méi héich Energien ze fannen (3), bei deenen d'Kräfte vun Natur kombinéiere schlussendlech an eng Interaktioun.

3. Energien néideg fir eng hypothetesch Unifikatioun vun Interaktiounen

Nisforn neutrino

Viru kuerzem ass d'Wëssenschaft ëmmer méi op méi interessant Beräicher konzentréiert, wéi zum Beispill Neutrinofuerschung, iwwer déi mir viru kuerzem en extensiv Bericht am MT publizéiert hunn. Am Februar 2020 huet den Astrophysical Journal eng Verëffentlechung iwwer d'Entdeckung vun héichenergetesch Neutrinoen vun onbekannter Hierkonft an der Antarktis publizéiert. Nieft dem bekannten Experiment gouf och d'Fuerschung um frostege Kontinent ënner dem Codenumm ANITA () duerchgefouert, besteet aus der Verëffentlechung vun engem Ballon mat engem Sensor Radiowellen.

Béid an ANITA goufen entwéckelt fir no Radiowellen aus héichenergesche Neutrinoen ze sichen, déi mat der fester Matière kollidéieren, déi Äis ausmécht. Den Avi Loeb, President vum Harvard Departement fir Astronomie, erkläert op der Salon Websäit: "D'Evenementer, déi vun ANITA festgestallt goufen, schéngen sécher wéi eng Anomalie, well se net als Neutrinoen aus astrophysikalesche Quellen erkläert kënne ginn. (...) Et kéint eng Zort Partikel sinn, déi méi schwaach interagéiert wéi en Neutrino mat gewéinlecher Matière. Mir de Verdacht datt esou Partikelen als donkel Matière existéieren. Awer wat mécht ANITA Eventer sou energesch?

Neutrinoen sinn déi eenzeg bekannte Partikel déi de Standardmodell verletzen. Geméiss dem Standardmodell vun Elementarpartikelen musse mir dräi Aarte vun Neutrinoen (elektronesch, Muon an Tau) an dräi Aarte vun Antineutrinen hunn, an no hirer Bildung musse se stabil an onverännert an hiren Eegeschafte sinn. Zënter den 60er Joren, wéi déi éischt Berechnungen a Miessunge vun Neutrinoen, déi vun der Sonn produzéiert goufen, opgetaucht sinn, hu mir gemierkt datt et e Problem war. Mir woussten wéivill Elektronenneutrinoen a geformt goufen Sonnekär. Awer wa mir gemooss hunn wéi vill ukomm sinn, hu mir nëmmen en Drëttel vun der virausgesoter Zuel gesinn.

Entweder ass eppes falsch mat eise Detektoren, oder eppes ass falsch mat eisem Sonnemodell, oder eppes ass falsch mat den Neutrinoen selwer. Reaktorexperimenter hunn d'Notioun séier ofgeleent datt eppes mat eise Detektoren falsch war (4). Si hunn geschafft wéi erwaart an hir Leeschtung war ganz gutt bewäert. D'Neutrinoen, déi mir festgestallt hunn, goufen proportional zu der Unzuel vun den ukommenden Neutrinoen registréiert. Zënter Joerzéngte hu vill Astronomen argumentéiert datt eise Sonnemodell falsch ass.

4. Biller vun Neutrino Evenementer zu Cherenkov Stralung vum Super Kamiokande Detektor

Natierlech gouf et eng aner exotesch Méiglechkeet, déi, wann et stëmmt, eist Verständnis vum Universum verännert aus deem wat de Standardmodell virausgesot huet. D'Iddi ass datt déi dräi Aarte vun Neutrinoen, déi mir kennen, tatsächlech Mass hunn, net schlank, an datt si kënne mëschen (fluktuéieren) fir Aromen z'änneren, wa se genuch Energie hunn. Wann den Neutrino elektronesch ausgeléist gëtt, kann et op de Wee änneren muon i taonovawer dëst ass nëmme méiglech wann et Mass huet. D'Wëssenschaftler si besuergt iwwer de Problem vu riets- a lénkshanden Neutrinoen. Fir wann Dir et net z'ënnerscheeden, kënnt Dir net z'ënnerscheeden ob et e Partikel oder en Antipartikel ass.

Kann en Neutrino säin eegene Antipartikel sinn? Net no dem gewéinleche Standardmodell. Fermionsam allgemengen sollen se net hir eege Antipartikel sinn. E Fermion ass all Partikel mat enger Rotatioun vun ± XNUMX/XNUMX. Dës Kategorie enthält all Quarks a Leptonen, dorënner Neutrinoen. Wéi och ëmmer, et gëtt eng speziell Aart vu Fermionen, déi bis elo nëmmen an der Theorie existéiert - de Majorana Fermion, deen säin eegene Antipartikel ass. Wann et existéiert, kéint eppes Besonnesches geschéien ... neutrino fräi duebel Beta Zerfall. An hei ass eng Chance fir Experimenter, déi scho laang no sou engem Lück gesicht hunn.

An all observéiert Prozesser mat Neutrinoen, weisen dës Partikel eng Eegeschafte déi d'Physiker Lénkshändegkeet nennen. Rietshandende Neutrinoen, déi déi natierlechst Ausdehnung vum Standardmodell sinn, sinn néierens ze gesinn. All aner MS-Partikelen hunn eng rietshand Versioun, awer Neutrinoen net. Firwat? Déi lescht, extrem ëmfaassend Analyse vun engem internationale Team vu Physiker, dorënner dem Institut fir Nuklearphysik vun der polnescher Akademie vun de Wëssenschaften (IFJ PAN) zu Krakau, huet Fuerschung iwwer dëst Thema gemaach. D'Wëssenschaftler gleewen datt de Manktem u Observatioun vu rietshande Neutrinoen beweise kéint datt se Majorana Fermionen sinn. Wann se waren, dann ass hir riets Säit Versioun extrem massiv, wat d'Schwieregkeet vun der Detektioun erkläert.

Awer mir wësse nach ëmmer net ob Neutrinoen Antipartikel selwer sinn. Mir wëssen net ob se hir Mass aus der ganz schwaacher Bindung vum Higgs Boson kréien, oder ob se et duerch en anere Mechanismus kréien. A mir wëssen net, vläicht ass den Neutrino-Secteur vill méi komplex wéi mir denken, mat sterilen oder schwéieren Neutrinoen déi am Däischteren laueren.

Atomer an aner Anomalien

An der elementarer Partikelphysik ginn et nieft de moudeschen Neutrinoen nach aner, manner bekannte Fuerschungsberäicher, aus deenen d'"nei Physik" duerchschneit. Wëssenschaftler, zum Beispill, hunn viru kuerzem eng nei Zort vun subatomesche Partikel virgeschloen fir d'rätsel ze erklären Zerfall als (5), e spezielle Fall vun engem Meson Partikel besteet aus een Quark i eent Antiquitéite Händler. Wann Kaon-Partikelen zerfallen, gëtt e klengen Deel vun hinnen Ännerungen déi d'Wëssenschaftler iwwerrascht hunn. De Stil vun dësem Zerfall kann eng nei Zort Partikel oder eng nei kierperlech Kraaft op der Aarbecht uginn. Dëst ass ausserhalb vum Ëmfang vum Standardmodell.

Et gi méi Experimenter fir Lücken am Standardmodell ze fannen. Dozou gehéieren d'Sich nom g-2 Muon. Viru bal honnert Joer huet de Physiker Paul Dirac de magnetesche Moment vun engem Elektron mat g virausgesot, eng Zuel déi d'Spineigenschaften vun engem Partikel bestëmmt. Duerno hunn Miessunge gewisen datt "g" liicht anescht wéi 2 ass, an d'Physiker hunn ugefaang den Ënnerscheed tëscht dem aktuellen Wäert vun "g" an 2 ze benotzen fir d'intern Struktur vun subatomesche Partikelen an d'Gesetzer vun der Physik am Allgemengen ze studéieren. Am Joer 1959 huet CERN zu Genf, Schwäiz, den éischten Experiment gemaach, deen de g-2 Wäert vun engem subatomesche Partikel genannt Muon gemooss huet, un en Elektron gebonnen awer onbestänneg an 207 Mol méi schwéier wéi en Elementarpartikel.

Brookhaven National Laboratory zu New York huet säin eegent Experiment ugefaang an d'Resultater vun hirem g-2 Experiment am Joer 2004 publizéiert. D'Miessung war net wat de Standardmodell virausgesot huet. Wéi och ëmmer, den Experiment huet net genuch Daten fir statistesch Analyse gesammelt fir schlussendlech ze beweisen datt de gemoossene Wäert wierklech anescht war an net nëmmen eng statistesch Schwankung. Aner Fuerschungszentren maachen elo nei Experimenter mat g-2, a mir wäerte wahrscheinlech d'Resultater geschwënn wëssen.

Et gëtt eppes méi interessant wéi dëst Kaon Anomalien i muon. Am Joer 2015 huet en Experiment iwwer den Zerfall vu Beryllium 8Be eng Anomalie gewisen. Wëssenschaftler an Ungarn benotzen hiren Detektor. Wéi och ëmmer, si hunn entdeckt oder geduecht datt se entdeckt hunn, wat d'Existenz vun enger fënnefter fundamentaler Naturkraaft suggeréiert.

Physiker vun der University of California hunn sech un der Studie interesséiert. Si hu virgeschloen datt de Phänomen genannt gëtt atomarer Anomalie, gouf vun engem komplett neie Partikel verursaacht, deen déi fënneft Naturkraaft droe sollt. Et gëtt X17 genannt well seng entspriechend Mass u bal 17 Milliounen Elektronevolt ass. Dëst ass 30 Mol d'Mass vun engem Elektron, awer manner wéi d'Mass vun engem Proton. An de Wee wéi X17 sech mat engem Proton behält ass eng vu senge komeschsten Features - dat heescht, et interagéiert guer net mat engem Proton. Amplaz interagéiert et mat engem negativ geluedenen Elektron oder Neutron, dee guer keng Ladung huet. Dëst mécht et schwéier Partikel X17 an eisen aktuelle Standardmodell ze passen. Bosonen si mat Kräfte verbonnen. Gluonen si mat der staarker Kraaft verbonnen, Bosonen mat der schwaacher Kraaft, a Photone mat Elektromagnetismus. Et gëtt souguer e hypotheteschen Boson fir d'Schwéierkraaft genannt Graviton. Als Boson wäert den X17 eng eege Kraaft droen, sou wéi déi, déi bis elo e Geheimnis fir eis war a kéint sinn.

Den Universum a seng léifste Richtung?

An engem Pabeier, deen am Abrëll am Journal Science Advances publizéiert gouf, hunn d'Wëssenschaftler vun der University of New South Wales zu Sydney gemellt datt nei Miessunge vu Liicht, déi vun engem Quasar 13 Milliarde Liichtjoer ewech emittéiert sinn, fréier Studien bestätegt, déi kleng Variatiounen an der fein konstanter Struktur fonnt hunn. vum Universum. Professor John Webb vun UNSW (6) erkläert datt d'Feinstrukturkonstant "eng Quantitéit ass déi Physiker als Mooss vun der elektromagnetescher Kraaft benotzen." elektromagnetesch Kraaft hält Elektronen ronderëm d'Käre an all Atom am Universum. Ouni dat wier all Matière auserneen. Bis viru kuerzem gouf et als konstant Kraaft an Zäit a Raum ugesinn. Awer a senger Fuerschung an de leschten zwee Joerzéngte huet de Professer Webb eng Anomalie an der zolidder feinstruktur gemierkt, an där déi elektromagnetesch Kraaft, gemooss an enger gewielter Richtung am Universum, ëmmer liicht anescht schéngt.

"" erkläert de Webb. D'Inkonsistenz erschéngt net an de Miessunge vun der australescher Équipe, mee beim Verglach vun hire Resultater mat villen anere Miessunge vu Quasar Liicht vun anere Wëssenschaftler.

"" seet de Professer Webb. "". Senger Meenung no, schéngen d'Resultater ze suggeréieren datt et eng bevorzugt Richtung am Universum ka ginn. An anere Wierder, den Universum hätt an engem gewësse Sënn eng Dipolstruktur.

"" Seet de Wëssenschaftler iwwer déi markéiert Anomalien.

Dëst ass eng Saach méi: Amplaz vun deem wat geduecht gouf eng zoufälleg Verbreedung vu Galaxien, Quasaren, Gaswolleken a Planéiten mam Liewen ze sinn, huet d'Universum op eemol en nërdlechen a südleche Géigeparteien. De Professer Webb ass trotzdem prett zouzeginn datt d'Resultater vu Miessunge vu Wëssenschaftler, déi a verschiddene Stadien mat verschiddenen Technologien a vu verschiddene Plazen op der Äerd duerchgefouert goufen, tatsächlech e groussen Zoufall sinn.

De Webb weist drop hin, datt wann et Direktionalitéit am Universum gëtt, a wann den Elektromagnetismus e bëssen anescht ass a bestëmmte Regioune vum Kosmos, déi fundamentalst Konzepter hannert vill vun der moderner Physik mussen iwwerpréift ginn. "", schwätzt. De Modell baséiert op dem Einstein senger Schwéierkraafttheorie, déi explizit d'Konstabilitéit vun de Gesetzer vun der Natur iwwerhëlt. A wann net, dann ... de Gedanke fir dat ganzt Gebai vun der Physik ze dréinen ass atemberaubend.