Ang bag-ong pisika nagsidlak gikan sa daghang mga lugar

Ang bisan unsang posible nga mga pagbag-o nga gusto namon buhaton sa Standard Model of physics (1) o general relativity, ang among duha ka labing maayo (bisan dili magkatugma) nga mga teorya sa uniberso, limitado na kaayo. Sa laing pagkasulti, dili ka makabag-o pag-ayo kung dili madaot ang kinatibuk-an.

Ang tinuod mao nga adunay usab mga resulta ug mga panghitabo nga dili ikapatin-aw base sa mga modelo nga nahibal-an nato. Mao nga kinahanglan ba naton nga buhaton ang tanan nga dili masaysay o dili managsama sa bisan unsang gasto nga nahiuyon sa naglungtad nga mga teorya, o kinahanglan ba naton pangitaon ang mga bag-o? Usa kini sa sukaranang mga pangutana sa modernong pisika.

Ang Sumbanan nga Modelo sa pisika sa partikulo malampuson nga mipasabut sa tanan nga nahibal-an ug nadiskobrehan nga mga interaksyon tali sa mga partikulo nga naobserbahan sukad. Ang uniberso gilangkoban sa mga quark, leptonov ug gauge boson, nga nagpasa sa tulo sa upat ka sukaranang pwersa sa kinaiyahan ug naghatag sa mga partikulo sa ilang rest mass. Anaa usab ang kinatibuk-ang relativity, ang atong subo nga dili quantum nga teorya sa grabidad, nga naghulagway sa relasyon tali sa spacetime, butang ug kusog sa uniberso.

Ang kalisud sa paglabaw niining duha ka mga teorya mao nga kung imong sulayan nga usbon kini pinaagi sa pagpaila sa bag-ong mga elemento, konsepto ug gidaghanon, makakuha ka og mga resulta nga sukwahi sa mga sukod ug obserbasyon nga naa na nato. Angayan usab nga hinumdoman nga kung gusto nimo nga molapas sa among karon nga balangkas sa syensya, ang palas-anon sa pruweba dako kaayo. Sa laing bahin, lisud nga dili magdahom nga daghan gikan sa usa nga nagpahuyang sa mga modelo nga gisulayan ug gisulayan sulod sa mga dekada.

Atubangan sa maong mga panginahanglan, dili ikatingala nga halos walay bisan kinsa nga mosulay sa bug-os nga paghagit sa kasamtangan nga paradigm sa pisika. Ug kung mahitabo man kini, dili kini seryoso, tungod kay kini dali nga mapandol sa yano nga mga tseke. Busa, kung makakita kita og mga potensyal nga mga lungag, nan kini mga reflector lamang, nga nagtimaan nga adunay usa ka butang nga nagdan-ag sa usa ka dapit, apan dili kini klaro kung angay ba nga moadto didto.

Ang nahibal-an nga pisika dili makadumala sa uniberso

Mga pananglitan sa silaw niining "bug-os nga bag-o ug lahi"? Aw, pananglitan, ang mga obserbasyon sa rate sa pag-atras, nga ingon og dili uyon sa pahayag nga ang Uniberso napuno lamang sa mga partikulo sa Standard Model ug nagsunod sa kinatibuk-ang teorya sa relativity. Nahibal-an namon nga ang indibidwal nga mga gigikanan sa grabidad, mga galaksiya, mga pungpong sa mga galaksiya, ug bisan ang dako nga cosmic web dili igo aron ipasabut kini nga panghitabo, tingali. Nahibal-an namon nga, bisan kung ang Standard Model nag-ingon nga ang materya ug antimatter kinahanglan mugnaon ug laglagon sa parehas nga kantidad, nagpuyo kita sa usa ka uniberso nga kadaghanan gilangkuban sa materya nga adunay gamay nga kantidad sa antimatter. Sa laing pagkasulti, atong makita nga ang "nailhan nga pisika" dili makapatin-aw sa tanan nga atong makita sa uniberso.

Daghang mga eksperimento ang nakahatag ug wala damha nga mga resulta nga, kung sulayan sa mas taas nga lebel, mahimong rebolusyonaryo. Bisan ang gitawag nga Atomic Anomaly nga nagpaila sa pagkaanaa sa mga partikulo mahimong usa ka eksperimento nga sayup, apan mahimo usab kini usa ka timaan sa paglabaw sa Standard Model. Ang lainlaing mga pamaagi sa pagsukod sa uniberso naghatag lainlaing mga kantidad alang sa rate sa pagpalapad niini - usa ka problema nga among gikonsiderar nga detalyado sa usa sa mga bag-ong isyu sa MT.

Bisan pa, walay usa niini nga mga anomaliya nga naghatag ug igo nga makapakombinsir nga mga resulta aron makonsiderar nga usa ka dili malalis nga timaan sa bag-ong pisika. Ang bisan unsa o tanan niini mahimo nga mga pag-usab-usab sa istatistika o usa ka dili husto nga pagka-calibrate nga instrumento. Daghan kanila mahimong magpunting sa bag-ong pisika, apan kini dali ra nga ipasabut gamit ang nahibal-an nga mga partikulo ug mga panghitabo sa konteksto sa kinatibuk-ang relativity ug sa Standard Model.

Nagplano kami nga mag-eksperimento, nanghinaut alang sa mas klaro nga mga resulta ug mga rekomendasyon. Mahimo natong makita sa dili madugay kung ang mangitngit nga enerhiya adunay kanunay nga bili. Base sa giplano nga galaxy nga mga pagtuon sa Vera Rubin Observatory ug data sa layo nga supernovae nga magamit sa umaabot. nancy grace teleskopyo, kaniadto nga WFIRST, kinahanglan naton mahibal-an kung ang mangitngit nga enerhiya nagbag-o sa oras sa sulod sa 1%. Kung mao, kinahanglan nga usbon ang atong "standard" nga modelo sa kosmolohiya. Posible nga ang space laser interferometer antenna (LISA) sa mga termino sa plano maghatag usab kanato mga sorpresa. Sa laktod, nag-ihap kami sa mga salakyanan sa obserbasyon ug mga eksperimento nga among giplano.

Nagtrabaho pa usab kami sa natad sa pisika sa partikulo, naglaum nga makit-an ang mga katingalahan sa gawas sa Modelo, sama sa usa ka mas tukma nga pagsukod sa mga magnetic nga mga gutlo sa electron ug muon - kung dili sila mouyon, adunay bag-ong pisika. Nagtrabaho kami aron mahibal-an kung giunsa nila pag-usab-usab neutrino - dinhi, usab, ang bag-ong pisika nagsidlak. Ug kung magtukod kita og tukma nga electron-positron collider, circular o linear (2), makamatikod kita sa mga butang nga lapas sa Standard Model nga dili pa mamatikdan sa LHC. Sa kalibutan sa pisika, usa ka mas dako nga bersyon sa LHC nga adunay sirkumperensiya nga hangtod sa 100 km dugay nang gisugyot. Makahatag kini og mas taas nga kusog sa pagbangga, nga, sumala sa daghang mga pisiko, sa katapusan magpahibalo sa bag-ong mga panghitabo. Bisan pa, kini usa ka labi ka mahal nga pagpamuhunan, ug ang pagtukod sa usa ka higante lamang sa prinsipyo - "atong tukoron kini ug tan-awa kung unsa ang ipakita niini kanato" nagpatunghag daghang mga pagduhaduha.

2. Linear lepton collider - visualization

Adunay duha ka matang sa pamaagi sa mga problema sa physical science. Ang una usa ka komplikado nga pamaagi, nga naglangkob sa pig-ot nga disenyo sa usa ka eksperimento o usa ka obserbatoryo alang sa pagsulbad sa usa ka piho nga problema. Ang ikaduhang pamaagi gitawag nga brute force method.nga nagpalambo sa usa ka unibersal, pagduso sa utlanan nga eksperimento o obserbatoryo aron masuhid ang uniberso sa usa ka bag-o nga paagi kaysa sa among nangaging mga pamaagi. Ang una mas maayo nga gipunting sa Standard Model. Ang ikaduha nagtugot kanimo sa pagpangita sa mga timailhan sa usa ka butang nga labaw pa, apan, sa kasubo, kini nga butang dili eksakto nga gihubit. Busa, ang duha ka mga pamaagi adunay ilang mga kakulian.

Pangitaa ang gitawag nga Theory of Everything (TUT), ang balaan nga grail sa pisika, kinahanglan ibutang sa ikaduha nga kategorya, tungod kay kasagaran kini moabut sa pagpangita sa mas taas ug mas taas nga kusog (3), diin ang mga pwersa sa ang kinaiyahan sa kadugayan naghiusa sa usa ka interaksyon.

3. Mga kusog nga gikinahanglan alang sa usa ka hypothetical nga panaghiusa sa mga interaksyon

Nisforn neutrino

Bag-ohay lang, ang siyensiya nahimong mas ug mas naka-focus sa mas makapaikag nga mga dapit, sama sa neutrino research, nga bag-o lang namo gipatik sa usa ka halapad nga report sa MT. Niadtong Pebrero 2020, gipatik sa Astrophysical Journal ang usa ka publikasyon bahin sa pagkadiskobre sa mga high-energy neutrino nga wala mailhi nga gigikanan sa Antarctica. Gawas pa sa iladong eksperimento, ang panukiduki gihimo usab sa nagyelo nga kontinente ubos sa code name ANITA (), nga naglangkob sa pagpagawas sa usa ka balloon nga adunay sensor. mga balod sa radyo.

Ang duha ug ang ANITA gidesinyo sa pagpangita sa mga radio wave gikan sa high-energy neutrino nga nagbangga sa solid matter nga naglangkob sa yelo. Si Avi Loeb, tsirman sa Harvard Department of Astronomy, mipasabut sa website sa Salon: "Ang mga panghitabo nga nakit-an sa ANITA daw usa ka anomaliya tungod kay dili kini ipasabut nga mga neutrino gikan sa mga gigikanan sa astrophysical. (...) Kini mahimong usa ka matang sa partikulo nga makig-interact nga mas huyang kay sa neutrino sa ordinaryong butang. Kami nagduda nga ang maong mga partikulo naglungtad ingong ngitngit nga butang. Apan unsay nakapahimo sa ANITA nga mga panghitabo nga lagsik kaayo?

Ang mga neutrino mao lamang ang nahibal-an nga mga partikulo nga nakalapas sa Standard Model. Sumala sa Standard Model sa elementary nga mga partikulo, kinahanglan nga kita adunay tulo ka matang sa neutrino (electronic, muon ug tau) ug tulo ka matang sa antineutrino, ug human sa ilang pagkaporma kinahanglan sila nga lig-on ug dili mausab sa ilang mga kabtangan. Sukad sa 60s, sa diha nga ang unang mga kalkulasyon ug pagsukod sa mga neutrino nga gihimo sa Adlaw nagpakita, kami nakaamgo nga adunay usa ka problema. Nahibal-an namon kung pila ka mga electron neutrino ang naporma solar nga kinauyokan. Apan sa dihang among gisukod kon pila ang miabot, among nakita ang ikatulo nga bahin sa gitagna nga gidaghanon.

Mahimong adunay sayup sa atong mga detector, o adunay sayup sa atong modelo sa Adlaw, o adunay sayup sa mga neutrino mismo. Ang mga eksperimento sa reaktor dali nga nagsalikway sa ideya nga adunay sayup sa among mga detektor (4). Nagtrabaho sila sama sa gipaabut ug ang ilang pasundayag maayo kaayo nga gihatagan. Ang mga neutrino nga among namatikdan narehistro sumala sa gidaghanon sa mga nangabot nga neutrino. Sulod sa mga dekada, daghang mga astronomo ang nangatarungan nga ang atong solar nga modelo sayup.

4. Mga hulagway sa neutrino nga mga panghitabo sa Cherenkov radiation gikan sa Super Kamiokande detector

Siyempre, adunay laing eksotikong posibilidad nga, kon tinuod, makapausab sa atong pagsabot sa uniberso gikan sa gitagna sa Standard Model. Ang ideya mao nga ang tulo ka mga matang sa neutrino nga atong nahibal-an adunay tinuod nga masa, dili maniwang, ug nga sila makasagol (mag-usab-usab) aron mausab ang mga lami kon sila adunay igong kusog. Kung ang neutrino gi-trigger sa elektroniko, mahimo’g mabag-o kini hangtod sa muon i taonovapan kini mahimo lamang kung kini adunay misa. Ang mga siyentipiko nabalaka bahin sa problema sa tuo ug wala nga kamot nga mga neutrino. Kay kung dili nimo kini mailhan, dili nimo mahibal-an kung kini usa ka partikulo o usa ka antiparticle.

Mahimo ba nga ang usa ka neutrino mahimong kaugalingon nga antiparticle? Dili sumala sa naandan nga Standard Model. Mga Fermionsa kinatibuk-an dili sila kinahanglan nga ilang kaugalingon nga antiparticle. Ang fermion mao ang bisan unsang partikulo nga adunay rotation nga ± XNUMX/XNUMX. Kini nga kategoriya naglakip sa tanang quark ug lepton, lakip ang mga neutrino. Apan, adunay usa ka espesyal nga matang sa fermion, nga sa pagkakaron anaa lamang sa teorya - ang Majorana fermion, nga mao ang iyang kaugalingon nga antiparticle. Kung kini naglungtad, usa ka butang nga espesyal nga mahimong mahitabo ... walay neutrino doble nga pagkadunot sa beta. Ug ania ang higayon alang sa mga eksperimento nga dugay nang nangita alang sa ingon nga gintang.

Sa tanan nga naobserbahan nga mga proseso nga naglambigit sa mga neutrino, kini nga mga partikulo nagpakita sa usa ka kabtangan nga gitawag sa mga pisiko nga wala ang kamot. Ang tuo nga kamot nga mga neutrino, nga mao ang labing natural nga extension sa Standard Model, dili makita bisan asa. Ang tanan nga ubang mga partikulo sa MS adunay tuo nga kamot nga bersyon, apan ang mga neutrino wala. Ngano man? Ang labing bag-o, labi ka komprehensibo nga pag-analisar sa usa ka internasyonal nga grupo sa mga pisiko, lakip ang Institute of Nuclear Physics sa Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) sa Krakow, naghimo ug panukiduki bahin niini nga isyu. Ang mga siyentipiko nagtuo nga ang kakulang sa obserbasyon sa tuo nga kamot nga mga neutrino mahimong magpamatuod nga sila mga Majorana fermion. Kung sila, nan ang ilang tuo nga kilid nga bersyon labi ka dako, nga nagpatin-aw sa kalisud sa pag-ila.

Bisan pa wala pa kita mahibal-an kung ang mga neutrino mga antiparticle mismo. Wala kita kahibalo kung makuha ba nila ang ilang masa gikan sa huyang kaayo nga pagbugkos sa Higgs boson, o kung nakuha ba nila kini pinaagi sa ubang mekanismo. Ug wala kami kahibalo, tingali ang sektor sa neutrino labi ka komplikado kaysa sa among gihunahuna, nga adunay mga sterile o bug-at nga mga neutrino nga nagtago sa kangitngit.

Mga atomo ug uban pang mga anomaliya

Sa elementarya nga particle physics, gawas sa uso nga mga neutrino, adunay uban pa, dili kaayo ilado nga mga bahin sa panukiduki diin ang "bag-ong pisika" mahimong mosidlak. Pananglitan, ang mga siyentipiko bag-o lang nagsugyot ug bag-ong matang sa subatomic nga partikulo aron ipatin-aw ang misteryoso pagkabungkag ingon (5), usa ka espesyal nga kaso sa usa ka partikulo sa meson nga naglangkob sa usa ka quark i usa ka antique dealer. Sa dihang ang mga partikulo sa kaon madunot, ang gamayng bahin niini makaagom ug mga kausaban nga nakapakurat sa mga siyentista. Ang estilo niini nga pagkadunot mahimong magpakita ug bag-ong matang sa partikulo o bag-ong pisikal nga puwersa nga naglihok. Kini gawas sa sakup sa Standard Model.

Adunay daghang mga eksperimento aron makit-an ang mga kal-ang sa Standard Model. Lakip niini ang pagpangita sa g-2 muon. Dul-an sa usa ka gatos ka tuig kanhi, ang physicist nga si Paul Dirac nagtagna sa magnetic moment sa usa ka electron gamit ang g, usa ka numero nga nagtino sa spin properties sa usa ka particle. Dayon ang mga pagsukod nagpakita nga ang "g" gamay ra nga lahi sa 2, ug ang mga pisiko nagsugod sa paggamit sa kalainan tali sa aktuwal nga bili sa "g" ug 2 aron tun-an ang internal nga istruktura sa mga partikulo sa subatomic ug ang mga balaod sa pisika sa kinatibuk-an. Niadtong 1959, ang CERN sa Geneva, Switzerland, nagpahigayon sa unang eksperimento nga nagsukod sa g-2 nga bili sa usa ka subatomic nga partikulo nga gitawag ug muon, nga gigapos sa usa ka electron apan dili lig-on ug 207 ka pilo nga mas bug-at kay sa elementarya nga partikulo.

Ang Brookhaven National Laboratory sa New York nagsugod sa kaugalingon nga eksperimento ug gipatik ang mga resulta sa ilang g-2 nga eksperimento niadtong 2004. Ang pagsukod dili ang gitagna sa Standard Model. Bisan pa, ang eksperimento wala mangolekta og igo nga datos alang sa pag-analisa sa istatistika aron mapamatud-an nga ang gisukod nga kantidad lahi gyud ug dili usa ka pagbag-o sa istatistika. Ang ubang mga research center nagpahigayon na karon ug bag-ong mga eksperimento sa g-2, ug lagmit mahibaloan na nato ang mga resulta sa dili madugay.

Adunay mas makaiikag pa niini Kaon anomaliya i muon. Sa 2015, usa ka eksperimento sa pagkadunot sa beryllium 8Be nagpakita sa usa ka anomaliya. Gigamit sa mga siyentipiko sa Hungary ang ilang detector. Bisan pa, sa tinuud, nahibal-an nila o gihunahuna nga ilang nadiskobrehan, nga nagsugyot sa paglungtad sa usa ka ikalima nga sukaranang puwersa sa kinaiyahan.

Ang mga pisiko gikan sa Unibersidad sa California nahimong interesado sa pagtuon. Gisugyot nila nga gitawag ang panghitabo atomic anomalya, gipahinabo sa usa ka bug-os nga bag-ong partikulo, nga mao untay magdala sa ikalima nga puwersa sa kinaiyahan. Gitawag kini nga X17 tungod kay ang katugbang nga masa niini gituohan nga hapit 17 milyon nga electron volts. Kini mao ang 30 ka pilo sa masa sa usa ka electron, apan ubos pa kay sa masa sa usa ka proton. Ug ang paagi sa paggawi sa X17 sa usa ka proton mao ang usa sa labing katingad-an nga bahin niini - nga mao, wala gyud kini makig-uban sa usa ka proton. Hinunoa, kini nakig-uban sa usa ka negatibo nga gikargahan nga electron o neutron, nga walay bayad. Kini nakapalisud sa pagpahaum sa X17 nga partikulo sa atong kasamtangan nga Standard Model. Ang mga boson gilangkit sa mga pwersa. Ang mga gluon gilangkit sa kusog nga puwersa, mga boson nga adunay huyang nga puwersa, ug mga photon nga adunay electromagnetism. Adunay bisan usa ka hypothetical boson alang sa grabidad nga gitawag og graviton. Isip usa ka boson, ang X17 magdala sa iyang kaugalingon nga pwersa, sama nianang hangtod karon nagpabilin nga misteryo alang kanato ug mahimo pa.

Ang uniberso ug ang gusto nga direksyon niini?

Sa usa ka papel nga gipatik karong Abril sa journal Science Advances, ang mga siyentipiko sa University of New South Wales sa Sydney nagtaho nga ang bag-ong mga sukod sa kahayag nga gibuga sa usa ka quasar nga 13 ka bilyong light-year ang gilay-on nagpamatuod sa nangaging mga pagtuon nga nakakaplag ug gagmay nga mga kausaban sa maayo nga makanunayon nga istruktura. sa uniberso. Propesor John Webb gikan sa UNSW (6) nagpatin-aw nga ang lino nga fino nga estraktura kanunay "mao ang usa ka gidaghanon nga gigamit sa mga pisiko isip sukod sa electromagnetic nga puwersa." electromagnetic nga pwersa nagmintinar sa mga electron sa palibot sa nuclei sa matag atomo sa uniberso. Kon wala kini, ang tanang butang mabungkag. Hangtud bag-o lang, kini giisip nga usa ka kanunay nga pwersa sa panahon ug sa kawanangan. Apan sa iyang panukiduki sa miaging duha ka dekada, namatikdan ni Propesor Webb ang usa ka anomaliya sa lig-on nga maayong istruktura diin ang electromagnetic nga puwersa, nga gisukod sa usa ka pinili nga direksyon sa uniberso, kanunay nga medyo lahi.

"" pasabot ni Webb. Ang mga panagsumpaki wala makita sa mga sukod sa Australian team, apan sa pagtandi sa ilang mga resulta sa daghang uban pang mga sukod sa quasar light sa ubang mga siyentista.

"" ni Propesor Webb. "". Sa iyang opinyon, ang mga resulta daw nagsugyot nga adunay usa ka gipili nga direksyon sa uniberso. Sa laing pagkasulti, ang uniberso sa usa ka diwa adunay usa ka dipole nga istruktura.

"" Miingon ang siyentista bahin sa gimarkahan nga mga anomaliya.

Kini usa pa ka butang: imbes sa gihunahuna nga usa ka random nga pag-apod-apod sa mga galaksiya, quasar, mga panganod sa gas ug mga planeta nga adunay kinabuhi, ang Uniberso kalit nga adunay katugbang sa amihanan ug habagatan. Si Propesor Webb bisan pa niana andam nga moangkon nga ang mga resulta sa mga pagsukod sa mga siyentipiko nga gihimo sa lain-laing mga ang-ang gamit ang lain-laing mga teknolohiya ug gikan sa lain-laing mga dapit sa Yuta sa pagkatinuod usa ka dako nga sulagma.

Gipunting ni Webb nga kung adunay direksyon sa uniberso, ug kung ang electromagnetism mahimong gamay nga lahi sa pipila nga mga rehiyon sa kosmos, ang labing sukaranan nga mga konsepto sa luyo sa kadaghanan sa modernong pisika kinahanglan nga balikon. "", nagsulti. Ang modelo gibase sa teorya sa grabidad ni Einstein, nga klaro nga nag-angkon sa pagkamakanunayon sa mga balaod sa kinaiyahan. Ug kung dili, nan ... ang paghunahuna sa pagbag-o sa tibuuk nga edipisyo sa pisika makapahingangha.