Fisika baru bersinar dari banyak tempat

Kemungkinan perubahan apa pun yang ingin kita buat pada Model Standar fisika (1) atau relativitas umum, dua teori terbaik kita (meskipun tidak sesuai) tentang alam semesta, sudah sangat terbatas. Dengan kata lain, Anda tidak dapat banyak berubah tanpa merusak keseluruhannya.

Faktanya adalah bahwa ada juga hasil dan fenomena yang tidak dapat dijelaskan berdasarkan model yang kita ketahui. Jadi haruskah kita berusaha keras untuk membuat segala sesuatunya tidak dapat dijelaskan atau tidak konsisten dengan cara apa pun yang konsisten dengan teori yang ada, atau haruskah kita mencari yang baru? Ini adalah salah satu pertanyaan mendasar fisika modern.

Model Standar fisika partikel telah berhasil menjelaskan semua interaksi yang diketahui dan ditemukan antara partikel yang pernah diamati. Alam semesta terdiri dari quark, leptonov dan boson pengukur, yang mentransmisikan tiga dari empat gaya fundamental di alam dan memberikan partikel massa diam mereka. Ada juga relativitas umum, sayangnya, bukan teori gravitasi kuantum, yang menjelaskan hubungan antara ruang-waktu, materi, dan energi di alam semesta.

Kesulitan dalam melampaui kedua teori ini adalah jika Anda mencoba mengubahnya dengan memperkenalkan elemen, konsep, dan besaran baru, Anda akan mendapatkan hasil yang bertentangan dengan pengukuran dan pengamatan yang telah kita miliki. Perlu juga diingat bahwa jika Anda ingin melampaui kerangka ilmiah kita saat ini, beban pembuktiannya sangat besar. Di sisi lain, sulit untuk tidak berharap banyak dari seseorang yang meremehkan model yang telah dicoba dan diuji selama beberapa dekade.

Menghadapi tuntutan seperti itu, tidak mengherankan jika hampir tidak ada orang yang mencoba sepenuhnya menantang paradigma yang ada dalam fisika. Dan jika ya, itu tidak dianggap serius sama sekali, karena dengan cepat tersandung pada pemeriksaan sederhana. Jadi, jika kita melihat lubang potensial, maka ini hanyalah reflektor, menandakan bahwa ada sesuatu yang bersinar di suatu tempat, tetapi tidak jelas apakah layak untuk pergi ke sana sama sekali.

Fisika yang dikenal tidak dapat menangani alam semesta

Contoh kilauan yang “benar-benar baru dan berbeda” ini? Nah, misalnya pengamatan laju rekoil, yang terkesan tidak konsisten dengan pernyataan bahwa Semesta hanya diisi oleh partikel Model Standar dan mematuhi teori relativitas umum. Kita tahu bahwa sumber gravitasi individu, galaksi, gugus galaksi, dan bahkan jaring kosmik besar mungkin tidak cukup untuk menjelaskan fenomena ini. Kita tahu bahwa, meskipun Model Standar menyatakan bahwa materi dan antimateri harus diciptakan dan dihancurkan dalam jumlah yang sama, kita hidup di alam semesta yang sebagian besar terdiri dari materi dengan sejumlah kecil antimateri. Dengan kata lain, kita melihat bahwa "fisika yang diketahui" tidak dapat menjelaskan semua yang kita lihat di alam semesta.

Banyak eksperimen telah menghasilkan hasil yang tidak terduga yang, jika diuji pada tingkat yang lebih tinggi, bisa menjadi revolusioner. Bahkan apa yang disebut Anomali Atom yang menunjukkan keberadaan partikel bisa menjadi kesalahan eksperimental, tetapi juga bisa menjadi tanda melampaui Model Standar. Metode pengukuran alam semesta yang berbeda memberikan nilai yang berbeda untuk laju ekspansinya - masalah yang kami pertimbangkan secara rinci dalam salah satu edisi terbaru MT.

Namun, tak satu pun dari anomali ini memberikan hasil yang cukup meyakinkan untuk dianggap sebagai tanda fisika baru yang tak terbantahkan. Salah satu atau semua ini mungkin hanya fluktuasi statistik atau instrumen yang dikalibrasi secara tidak benar. Banyak dari mereka mungkin menunjuk ke fisika baru, tetapi mereka dapat dengan mudah dijelaskan menggunakan partikel dan fenomena yang diketahui dalam konteks relativitas umum dan Model Standar.

Kami berencana untuk bereksperimen, berharap untuk hasil dan rekomendasi yang lebih jelas. Kita mungkin akan segera melihat apakah energi gelap memiliki nilai yang konstan. Berdasarkan studi galaksi yang direncanakan oleh Observatorium Vera Rubin dan data tentang supernova jauh akan tersedia di masa depan. teleskop nancy grace, sebelumnya WFIRST, kita perlu mencari tahu apakah energi gelap berevolusi seiring waktu hingga dalam 1%. Jika demikian, maka model kosmologis "standar" kita harus diubah. Ada kemungkinan bahwa antena interferometer laser ruang angkasa (LISA) dalam hal rencana juga akan memberi kita kejutan. Singkatnya, kami mengandalkan kendaraan observasi dan eksperimen yang kami rencanakan.

Kami juga masih bekerja di bidang fisika partikel, berharap menemukan fenomena di luar Model, seperti pengukuran momen magnetik elektron dan muon yang lebih akurat - jika keduanya tidak sesuai, fisika baru muncul. Kami sedang bekerja untuk mencari tahu bagaimana mereka berfluktuasi neutrino – di sini juga, fisika baru bersinar. Dan jika kita membangun penumbuk elektron-positron yang akurat, sirkular atau linier (2), kita dapat mendeteksi hal-hal di luar Model Standar yang belum dapat dideteksi oleh LHC. Dalam dunia fisika, versi LHC yang lebih besar dengan keliling hingga 100 km telah lama diusulkan. Ini akan memberikan energi tumbukan yang lebih tinggi, yang menurut banyak fisikawan, akhirnya akan menandakan fenomena baru. Namun, ini adalah investasi yang sangat mahal, dan pembangunan raksasa hanya berdasarkan prinsip - "mari kita bangun dan lihat apa yang akan ditunjukkannya kepada kita" menimbulkan banyak keraguan.

2. Collider lepton linier - visualisasi

Ada dua jenis pendekatan untuk masalah dalam ilmu fisika. Yang pertama adalah pendekatan yang kompleks, yang terdiri dari desain sempit eksperimen atau observatorium untuk memecahkan masalah tertentu. Pendekatan kedua disebut metode brute force.yang mengembangkan eksperimen atau observatorium universal yang mendorong batas untuk menjelajahi alam semesta dengan cara yang sama sekali baru daripada pendekatan kita sebelumnya. Yang pertama berorientasi lebih baik dalam Model Standar. Yang kedua memungkinkan Anda menemukan jejak sesuatu yang lebih, tetapi, sayangnya, sesuatu ini tidak didefinisikan dengan tepat. Dengan demikian, kedua metode tersebut memiliki kekurangannya masing-masing.

Carilah apa yang disebut Teori Segalanya (TUT), cawan suci fisika, harus ditempatkan dalam kategori kedua, karena lebih sering daripada tidak menemukan energi yang lebih tinggi dan lebih tinggi (3), di mana kekuatan alam akhirnya bergabung menjadi satu interaksi.

3. Energi yang dibutuhkan untuk penyatuan interaksi hipotetis

Nisforn neutrino

Baru-baru ini, sains menjadi semakin terfokus pada bidang yang lebih menarik, seperti penelitian neutrino, di mana kami baru-baru ini menerbitkan laporan ekstensif di MT. Pada Februari 2020, Jurnal Astrofisika menerbitkan publikasi tentang penemuan neutrino berenergi tinggi yang tidak diketahui asalnya di Antartika. Selain eksperimen terkenal, penelitian juga dilakukan di benua beku dengan nama kode ANITA (), yang terdiri dari pelepasan balon dengan sensor gelombang radio.

Keduanya dan ANITA dirancang untuk mencari gelombang radio dari neutrino berenergi tinggi yang bertabrakan dengan materi padat yang membentuk es. Avi Loeb, ketua Departemen Astronomi Harvard, menjelaskan di situs Salon: “Peristiwa yang terdeteksi oleh ANITA tentu tampak seperti anomali karena tidak dapat dijelaskan sebagai neutrino dari sumber astrofisika. (...) Ini bisa jadi semacam partikel yang berinteraksi lebih lemah dari neutrino dengan materi biasa. Kami menduga bahwa partikel seperti itu ada sebagai materi gelap. Tapi apa yang membuat acara ANITA begitu energik?”

Neutrino adalah satu-satunya partikel yang diketahui telah melanggar Model Standar. Menurut Model Standar partikel elementer, kita harus memiliki tiga jenis neutrino (elektronik, muon dan tau) dan tiga jenis antineutrino, dan setelah pembentukannya mereka harus stabil dan tidak berubah sifat-sifatnya. Sejak tahun 60-an, ketika perhitungan dan pengukuran pertama neutrino yang dihasilkan Matahari muncul, kami menyadari bahwa ada masalah. Kami tahu berapa banyak elektron neutrino yang terbentuk di inti surya. Tetapi ketika kami mengukur berapa banyak yang tiba, kami hanya melihat sepertiga dari jumlah yang diprediksi.

Entah ada yang salah dengan detektor kita, atau ada yang salah dengan model Matahari kita, atau ada yang salah dengan neutrino itu sendiri. Eksperimen reaktor dengan cepat menyangkal anggapan bahwa ada sesuatu yang salah dengan detektor kami (4). Mereka bekerja seperti yang diharapkan dan kinerja mereka dinilai sangat baik. Neutrino yang kami deteksi terdaftar secara proporsional dengan jumlah neutrino yang tiba. Selama beberapa dekade, banyak astronom berpendapat bahwa model matahari kita salah.

4. Gambar peristiwa neutrino dalam radiasi Cherenkov dari detektor Super Kamiokande

Tentu saja, ada kemungkinan eksotis lain yang, jika benar, akan mengubah pemahaman kita tentang alam semesta dari apa yang diprediksi Model Standar. Idenya adalah bahwa ketiga jenis neutrino yang kita ketahui sebenarnya memiliki massa, bukan bersandar, dan mereka dapat bercampur (berfluktuasi) untuk mengubah rasa jika mereka memiliki energi yang cukup. Jika neutrino dipicu secara elektronik, neutrino dapat berubah sepanjang jalan menjadi muon i taonovtetapi ini hanya mungkin jika ia memiliki massa. Para ilmuwan prihatin dengan masalah neutrino tangan kanan dan kiri. Karena jika Anda tidak dapat membedakannya, Anda tidak dapat membedakan apakah itu partikel atau antipartikel.

Bisakah neutrino menjadi antipartikelnya sendiri? Tidak sesuai dengan Model Standar biasa. Fermionpada umumnya mereka tidak boleh menjadi antipartikel mereka sendiri. Fermion adalah setiap partikel dengan rotasi ± XNUMX/XNUMX. Kategori ini mencakup semua quark dan lepton, termasuk neutrino. Namun, ada jenis fermion khusus, yang sejauh ini hanya ada dalam teori - fermion Majorana, yang merupakan antipartikelnya sendiri. Jika itu ada, sesuatu yang istimewa mungkin akan terjadi... bebas neutrino peluruhan beta ganda. Dan inilah kesempatan bagi para peneliti yang telah lama mencari celah seperti itu.

Dalam semua proses yang diamati yang melibatkan neutrino, partikel-partikel ini menunjukkan sifat yang oleh fisikawan disebut kidal. Neutrino tangan kanan, yang merupakan perpanjangan paling alami dari Model Standar, tidak terlihat di mana pun. Semua partikel MS lainnya memiliki versi tangan kanan, tetapi neutrino tidak. Mengapa? Analisis terbaru yang sangat komprehensif oleh tim fisikawan internasional, termasuk Institut Fisika Nuklir dari Akademi Ilmu Pengetahuan Polandia (IFJ PAN) di Krakow, telah melakukan penelitian tentang masalah ini. Para ilmuwan percaya bahwa kurangnya pengamatan neutrino tangan kanan dapat membuktikan bahwa mereka adalah fermion Majorana. Jika ya, maka versi sisi kanan mereka sangat masif, yang menjelaskan kesulitan deteksi.

Namun kita masih belum tahu apakah neutrino adalah antipartikel itu sendiri. Kami tidak tahu apakah mereka mendapatkan massanya dari ikatan Higgs boson yang sangat lemah, atau apakah mereka mendapatkannya melalui mekanisme lain. Dan kita tidak tahu, mungkin sektor neutrino jauh lebih kompleks dari yang kita kira, dengan neutrino steril atau berat yang bersembunyi di kegelapan.

Atom dan anomali lainnya

Dalam fisika partikel dasar, selain neutrino yang modis, ada bidang penelitian lain yang kurang terkenal di mana "fisika baru" dapat bersinar. Para ilmuwan, misalnya, baru-baru ini mengusulkan jenis partikel subatomik baru untuk menjelaskan teka-teki itu disintegrasi sebagai (5), kasus khusus dari partikel meson yang terdiri dari: satu quark i satu penjual barang antik. Ketika partikel kaon meluruh, sebagian kecil dari mereka mengalami perubahan yang mengejutkan para ilmuwan. Gaya peluruhan ini mungkin menunjukkan jenis partikel baru atau gaya fisik baru yang bekerja. Ini di luar cakupan Model Standar.

Ada lebih banyak eksperimen untuk menemukan celah dalam Model Standar. Ini termasuk pencarian g-2 muon. Hampir seratus tahun yang lalu, fisikawan Paul Dirac memprediksi momen magnetik elektron menggunakan g, angka yang menentukan sifat spin partikel. Kemudian pengukuran menunjukkan bahwa "g" sedikit berbeda dari 2, dan fisikawan mulai menggunakan perbedaan antara nilai sebenarnya dari "g" dan 2 untuk mempelajari struktur internal partikel subatom dan hukum fisika secara umum. Pada tahun 1959, CERN di Jenewa, Swiss, melakukan percobaan pertama yang mengukur nilai g-2 partikel subatomik yang disebut muon, terikat pada elektron tetapi tidak stabil dan 207 kali lebih berat daripada partikel elementer.

Laboratorium Nasional Brookhaven di New York memulai eksperimennya sendiri dan mempublikasikan hasil eksperimen g-2 mereka pada tahun 2004. Pengukurannya tidak seperti yang diprediksi Model Standar. Namun, eksperimen tersebut tidak mengumpulkan data yang cukup untuk analisis statistik untuk membuktikan secara meyakinkan bahwa nilai yang diukur memang berbeda dan bukan hanya fluktuasi statistik. Pusat penelitian lain sekarang sedang melakukan eksperimen baru dengan g-2, dan kami mungkin akan segera mengetahui hasilnya.

Ada yang lebih menarik dari ini Anomali Kaon i muon. Pada tahun 2015, percobaan peluruhan berilium 8Be menunjukkan anomali. Para ilmuwan di Hungaria menggunakan detektor mereka. Namun, secara kebetulan, mereka menemukan, atau mengira telah menemukan, yang menunjukkan adanya kekuatan fundamental kelima alam.

Fisikawan dari University of California menjadi tertarik dengan penelitian ini. Mereka menyarankan bahwa fenomena yang disebut anomali atom, disebabkan oleh partikel yang sama sekali baru, yang seharusnya membawa kekuatan kelima alam. Disebut X17 karena massa yang sesuai dianggap hampir 17 juta elektron volt. Ini adalah 30 kali massa elektron, tetapi lebih kecil dari massa proton. Dan cara X17 berperilaku dengan proton adalah salah satu fiturnya yang paling aneh - yaitu, ia tidak berinteraksi dengan proton sama sekali. Sebaliknya, ia berinteraksi dengan elektron atau neutron bermuatan negatif, yang tidak memiliki muatan sama sekali. Hal ini membuat sulit untuk memasukkan partikel X17 ke dalam Model Standar kami saat ini. Boson dikaitkan dengan kekuatan. Gluon dikaitkan dengan gaya kuat, boson dengan gaya lemah, dan foton dengan elektromagnetisme. Bahkan ada boson hipotetis untuk gravitasi yang disebut graviton. Sebagai boson, X17 akan membawa kekuatannya sendiri, seperti yang sampai sekarang masih menjadi misteri bagi kita dan bisa jadi.

Alam semesta dan arah pilihannya?

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan April ini di jurnal Science Advances, para ilmuwan di University of New South Wales di Sydney melaporkan bahwa pengukuran baru cahaya yang dipancarkan oleh quasar 13 miliar tahun cahaya mengkonfirmasi penelitian sebelumnya yang menemukan variasi kecil dalam struktur konstanta halus. dari alam semesta. Profesor John Webb dari UNSW (6) menjelaskan bahwa konstanta struktur halus "adalah besaran yang digunakan fisikawan sebagai ukuran gaya elektromagnetik." gaya elektromagnetik mempertahankan elektron di sekitar inti di setiap atom di alam semesta. Tanpa itu, semua materi akan berantakan. Sampai saat ini, itu dianggap sebagai kekuatan konstan dalam ruang dan waktu. Namun dalam penelitiannya selama dua dekade terakhir, Profesor Webb telah melihat sebuah anomali dalam struktur halus padat di mana gaya elektromagnetik, diukur dalam satu arah yang dipilih di alam semesta, selalu tampak sedikit berbeda.

"" jelas Webb. Ketidakkonsistenan tidak muncul dalam pengukuran tim Australia, tetapi dalam membandingkan hasil mereka dengan banyak pengukuran cahaya quasar lainnya oleh ilmuwan lain.

"" kata Profesor Webb. "". Menurutnya, hasilnya tampaknya menunjukkan bahwa mungkin ada arah yang lebih disukai di alam semesta. Dengan kata lain, Semesta dalam arti tertentu memiliki struktur dipol.

"" Kata ilmuwan tentang anomali yang ditandai.

Ini satu hal lagi: alih-alih apa yang dianggap sebagai penyebaran acak galaksi, quasar, awan gas, dan planet dengan kehidupan, alam semesta tiba-tiba memiliki pasangan utara dan selatan. Profesor Webb bagaimanapun siap untuk mengakui bahwa hasil pengukuran oleh para ilmuwan yang dilakukan pada tahap yang berbeda dengan menggunakan teknologi yang berbeda dan dari tempat yang berbeda di Bumi sebenarnya adalah kebetulan yang sangat besar.

Webb menunjukkan bahwa jika ada arah di alam semesta, dan jika elektromagnetisme ternyata sedikit berbeda di wilayah kosmos tertentu, konsep paling mendasar di balik banyak fisika modern perlu ditinjau kembali. "", berbicara. Model ini didasarkan pada teori gravitasi Einstein, yang secara eksplisit mengasumsikan keteguhan hukum alam. Dan jika tidak, maka ... pemikiran untuk mengubah seluruh bangunan fisika sungguh menakjubkan.