A nova fisica brilla da parechji lochi

Ogni cambiamenti pussibuli chì vulemu fà à u Modellu Standard di a fisica (1) o a relatività generale, i nostri dui migliori teorii (ancu incompatibili) di l'universu, sò digià assai limitati. In altri palori, ùn pudete micca cambià assai senza minà tuttu.

U fattu hè chì ci sò ancu risultati è fenomeni chì ùn ponu esse spiegati nantu à a basa di i mudelli cunnisciuti da noi. Allora duvemu esce da u nostru modu per fà tuttu inspiegabile o inconsistente à ogni costu cunsistenti cù e teori esistenti, o duvemu circà novi? Questa hè una di e dumande fundamentali di a fisica muderna.

U Modellu Standard di a fisica di particelle hà spiegatu bè tutte l'interazzione cunnisciute è scuperte trà e particelle chì anu mai osservatu. L'universu hè custituitu quarks, leptonov è i bosoni gauge, chì trasmettenu trè di e quattru forze fundamentali in a natura è dà à i particeddi a so massa di riposu. Ci hè ancu a relatività generale, a nostra, sfurtunatamenti, micca una teoria quantistica di gravità, chì descrive a relazione trà u spaziu-tempu, a materia è l'energia in l'universu.

A difficultà per andà fora di sti dui tiurìi hè chì, s'è vo pruvate à cambià intruducendu novi elementi, cuncetti è quantità, avete da ottene risultati chì cuntradiscenu e misurazioni è l'osservazioni chì avemu digià. Hè vale a pena ricurdà ancu chì sè vo vulete andà oltre u nostru quadru scientificu attuale, u fardelu di a prova hè enormu. Per d 'altra banda, hè difficiule di ùn aspittà tantu da qualcunu chì mina mudelli pruvati è pruvati per decennii.

In fronte di tali richieste, ùn hè micca surprisante chì quasi nimu prova à sfida cumplettamente u paradigma esistente in fisica. È s'ellu si faci, ùn hè micca pigliatu in seriu in tuttu, perchè sbatte rapidamente in cuntrolli simplici. Allora, se vedemu putenziali buchi, allora questi sò solu riflettori, chì signalanu chì qualcosa brilla in qualchì locu, ma ùn hè micca chjaru se vale a pena andà in tuttu.

A fisica cunnisciuta ùn pò micca trattà l'universu

Esempii di u shimmer di questu "completamente novu è diversu"? Ebbè, per esempiu, l'osservazioni di u ritmu di ricuperazione, chì parenu inconsistenti cù a dichjarazione chì l'Universu hè pienu solu di particeddi di u Model Standard è ubbidisce à a teoria generale di a relatività. Sapemu chì e fonti individuali di gravità, galaxies, clusters di galaxies, è ancu a grande web còsmica ùn sò micca abbastanza per spiegà stu fenominu, forse. Sapemu chì, ancu s'è u mudellu Standard dice chì a materia è l'antimateria deve esse creatu è distruttu in quantità uguali, vivemu in un universu cumpostu soprattuttu di materia cù una piccula quantità di antimateria. In altre parolle, vedemu chì a "fisica cunnisciuta" ùn pò micca spiegà tuttu ciò chì vedemu in l'universu.

Parechji esperimenti anu datu risultati inespettati chì, se pruvati à un livellu più altu, puderanu esse rivoluzionari. Ancu u chjamatu Anomalia Atomica chì indica l'esistenza di particeddi pò esse un errore spirimintali, ma pò ancu esse un signu di andà oltre u mudellu Standard. Diversi metudi di misurà l'universu dà valori diffirenti per u ritmu di a so espansione - un prublema chì avemu cunsideratu in detail in unu di l'ultimi numeri di MT.

Tuttavia, nimu di sti anomalie dà risultati abbastanza cunvincenti per esse cunsideratu un signu indiscutibile di a nova fisica. Qualchese o tutti questi ponu esse solu fluttuazioni statistiche o un strumentu calibratu incorrectamente. Parechje di elli ponu indicà a nova fisica, ma ponu esse facilmente spiegati cù particeddi cunnisciuti è fenomeni in u cuntestu di a relatività generale è u mudellu standard.

Prughjemu di sperimentà, sperendu risultati è cunsiglii più chjaru. Puderemu prestu vede se l'energia scura hà un valore constante. Basatu nantu à studii di galassie pianificati da l'Observatoriu Vera Rubin è dati nantu à supernovae distanti per esse dispunibule in u futuru. telescopiu nancy grace, prima WFIRST, avemu bisognu di sapè se l'energia scura evoluzione cù u tempu à 1%. Sì cusì, allora u nostru mudellu cosmologicu "standard" deve esse cambiatu. Hè pussibule chì l'antenna di l'interferometru laser spaziale (LISA) in quantu à u pianu ci darà ancu sorprese. In breve, cuntemu nantu à i veiculi d'osservazione è l'esperimenti chì avemu pianificatu.

Avemu dinù u travagliu in u campu di a fisica di particeddi, sperendu à truvà fenomeni fora di u Modellu, cum'è una misurazione più precisa di i mumenti magnetichi di l'elettroni è muoni - s'ellu ùn sò d'accordu, nova fisica si prisenta. Avemu travagliatu per capisce cumu fluttuanu neutrinu - ancu quì, a nova fisica brilla. È se custruemu un collider elettroni-positronu precisu, circulare o lineare (2), pudemu detectà cose oltre u mudellu Standard chì u LHC ùn pò ancu detectà. In u mondu di a fisica, una versione più grande di u LHC cù una circunferenza di finu à 100 km hè stata pruposta longu. Questu darà energie di collisione più altu, chì, sicondu parechji fisici, infine signalanu novi fenomeni. In ogni casu, questu hè un investimentu estremamente caru, è a custruzzione di un giant solu nantu à u principiu - "custruiscemu è vede ciò chì ci mostrarà" suscite assai dubbii.

2. Lepton collider lineale - visualizazione

Ci hè dui tipi di approcciu à i prublemi in a scienza fisica. U primu hè un approcciu cumplessu, chì cunsiste in u disignu strettu di un esperimentu o un observatoriu per risolve un prublema specificu. U sicondu approcciu hè chjamatu u metudu di forza bruta.chì sviluppa un esperimentu universale, chì spinge u cunfini o un osservatoriu per scopre l'universu in una manera completamente nova di i nostri approcci precedenti. U primu hè megliu orientatu in u mudellu Standard. U sicondu permette di truvà tracce di qualcosa di più, ma, sfurtunatamenti, questu qualcosa ùn hè micca esattamente definitu. Cusì, i dui metudi anu i so inconvenienti.

Circate a chjamata Teoria di tuttu (TUT), u santu graal di a fisica, deve esse piazzatu in a seconda categuria, postu chì più spessu si tratta di truvà energie più alte è più alte (3), à quale e forze di a natura eventualmente si combina in una interazzione.

3. Energie necessariu per una unificazione ipotetica di l'interazzione

Neutrinu di Nisforn

Ricertamenti, a scienza hè diventata più è più focu annantu à e più interessanti spazii, cum'è a ricerca di neutrini, nantu à quale avemu publicatu pocu un rapportu estensivu in MT. In u ferraghju 2020, l'Astrophysical Journal hà publicatu una publicazione nantu à a scuperta di neutrini d'alta energia d'origine scunnisciuta in l'Antartida. In più di l'esperimentu ben cunnisciutu, a ricerca hè stata ancu realizata in u cuntinente frosty sottu u nome di codice ANITA (), cunsistenti in a liberazione di un pallone cù un sensor. onde radio.

Tramindui è ANITA sò stati pensati per circà l'onde radiu da i neutrini d'alta energia chì scontranu cù a materia solida chì face u ghjacciu. Avi Loeb, presidente di u Dipartimentu di Astronomia di Harvard, hà spiegatu nantu à u situ web di Salon: "L'avvenimenti rilevati da ANITA certamente parenu una anomalia perchè ùn ponu micca esse spiegati cum'è neutrini da fonti astrofisiche. (...) Puderia esse una spezia di particella chì interagisce più debule chè un neutrinu cù a materia ordinaria. Sospettemu chì tali particelle esistenu cum'è materia scura. Ma chì rende l'avvenimenti ANITA cusì energici ?

I neutrini sò l'unichi particeddi cunnisciuti per violà u mudellu Standard. Sicondu u mudellu Standard di particeddi elementari, duvemu avè trè tippi di neutrinos (elettronica, muon è tau) è trè tippi di antineutrinos, è dopu a so furmazione devenu esse stabile è immubiliate in e so proprietà. Dapoi l'anni 60, quandu i primi calculi è misurazioni di neutrini pruduciuti da u Sole, avemu capitu chì ci era un prublema. Sapemu quanti neutrini elettroni sò stati formati core solare. Ma quandu avemu misuratu quantu ghjunti, avemu vistu solu un terzu di u numeru previstu.

Qualcosa hè sbagliatu cù i nostri detectors, o qualcosa hè sbagliatu cù u nostru mudellu di u Sole, o qualcosa hè sbagliatu cù i neutrini stessi. L'esperimenti di reattori anu spruvatu rapidamente l'idea chì qualcosa era sbagliatu cù i nostri detectors (4). Hanu travagliatu cum'è previstu è a so prestazione hè stata assai ben valutata. I neutrini chì avemu rilevatu sò stati registrati in proporzione à u numeru di neutrini chì arrivanu. Per decennii, assai astrònomu anu sustinutu chì u nostru mudellu di u sole hè sbagliatu.

4. L'imaghjini di l'avvenimenti di neutrinu in a radiazione Cherenkov da u detector Super Kamiokande

Di sicuru, ci era una altra pussibilità esotica chì, s'ellu hè vera, cambiassi a nostra cunniscenza di l'universu da ciò chì u Model Standard hà previstu. L'idea hè chì i trè tippi di neutrini chì sapemu in realtà anu massa, micca magre, è ch'elli ponu mischjà (fluctuate) per cambià i sapori si anu abbastanza energia. Se u neutrinu hè attivatu elettronicamente, pò cambià in a strada muon i taonovma questu hè pussibule solu quandu hà massa. I scientisti sò preoccupati di u prublema di i neutrini di dritta è di manca. Perchè s'ellu ùn pudete micca distingue, ùn pudete micca distingue s'ellu hè una particella o una antiparticella.

Un neutrinu pò esse a so propria antiparticella ? Micca secondu u mudellu standard di solitu. Fermioniin generale ùn deve esse micca i so antiparticuli. Un fermionu hè qualsiasi particella cù una rotazione di ± XNUMX/XNUMX. Questa categuria include tutti i quarks è i leptoni, cumpresi i neutrini. Tuttavia, ci hè un tipu spiciali di fermioni, chì finu à avà esiste solu in teoria - u fermion Majorana, chì hè a so propria antiparticula. S'ellu esiste, qualcosa di speciale puderia esse accadutu ... senza neutrini doppia decadenza beta. E quì hè una chance per l'esperimenti chì anu cercatu un tali spaziu per un bellu pezzu.

In tutti i prucessi osservati chì implicanu neutrini, sti particeddi mostranu una pruprietà chì i fisici chjamanu a manca. I neutrini dritti, chì sò l'estensione più naturali di u mudellu Standard, ùn sò micca vistu. Tutti l'altri particeddi MS anu una versione diritta, ma i neutrini ùn anu micca. Perchè? L'ultima analisi estremamente cumpleta da una squadra internaziunale di fisici, cumpresu l'Istitutu di Fisica Nucleare di l'Accademia Polacca di Scienze (IFJ PAN) in Cracovia, hà fattu una ricerca annantu à questu tema. Scentifichi crede chì a mancanza di osservazione di neutrinos right-handed pudia pruvà ch'elli sò Majorana fermions. S'elli eranu, allura a so versione dritta hè estremamente massiva, chì spiega a difficultà di deteczione.

Eppuru ùn sapemu ancu se i neutrini sò antiparticuli stessi. Ùn sapemu micca s'ellu piglianu a so massa da u ligame assai debbule di u boson di Higgs, o s'ellu l'avete da un altru mecanismu. È ùn sapemu micca, forse u settore di i neutrini hè assai più cumplessu di ciò chì pensemu, cù neutrini sterili o pesanti chì stanu in u bughju.

Atomi è altre anomalie

In a fisica di particelle elementari, in più di i neutrini di moda, ci sò altre aree di ricerca, menu cunnisciute, da quali "nova fisica" pò brillà. I scientisti, per esempiu, anu prupostu recentemente un novu tipu di particella subatomica per spiegà l'enigmaticu. disintegrazione cum'è (5), un casu spiciali di una particella mesone custituita da un quark i un antiquario. Quandu i particeddi di kaon decadenu, una piccula frazione di elli subisce cambiamenti chì sorprendenu i scientisti. U stilu di sta decadenza pò indicà un novu tipu di particella o una nova forza fisica à u travagliu. Questu hè fora di u scopu di u mudellu Standard.

Ci hè più esperimenti per truvà lacune in u Model Standard. Questi includenu a ricerca di u muon g-2. Quasi centu anni fà, u fisicu Paul Dirac hà preditu u mumentu magneticu di l'elettrone utilizendu g, un numeru chì determina e proprietà di spin di una particella. Allora e misurazioni dimustranu chì "g" hè pocu sfarente di 2, è i fisici cuminciaru à aduprà a diffarenza trà u valore attuale di "g" è 2 per studià a struttura interna di particeddi subatomici è e lege di a fisica in generale. In u 1959, u CERN in Ginevra, Svizzera, hà realizatu u primu esperimentu chì misurà u valore g-2 di una particella subatomica chjamata muone, ligata à un elettronu ma inestabile è 207 volte più pisanti chè una particella elementaria.

U Laboratoriu Naziunale di Brookhaven in New York hà iniziatu u so propiu esperimentu è hà publicatu i risultati di u so esperimentu g-2 in u 2004. A misurazione ùn era micca ciò chì u mudellu Standard hà previstu. In ogni casu, l'esperimentu ùn hà micca recullatu abbastanza dati per l'analisi statistiche per pruvà in modu conclusivo chì u valore misuratu era veramente diversu è micca solu una fluttuazione statistica. Altri centri di ricerca sò avà cunducendu novi esperimenti cù g-2, è prubabilmente cunnosceremu i risultati prestu.

Ci hè qualcosa di più intrigante chè questu anomalie di Kaon i muon. In u 2015, un esperimentu nantu à a decadenza di u berilliu 8Be hà dimustratu una anomalia. I scientisti in Ungheria utilizanu u so detector. Incidentally, però, anu scupertu, o pensanu chì anu scupertu, chì suggerisce l'esistenza di una quinta forza fundamentale di a natura.

I fisici di l'Università di California anu interessatu à u studiu. Suggerenu chì u fenomenu chjamatu anomalia atomica, hè stata causata da una particella cumplettamente nova, chì duverebbe purtà a quinta forza di a natura. Hè chjamatu X17 perchè a so massa currispundenti hè pensata per esse quasi 17 milioni d'elettroni volti. Questu hè 30 volte a massa di l'elettrone, ma menu di a massa di un protone. È a manera chì X17 si cumporta cù un protone hè una di e so caratteristiche più strane - vale à dì, ùn interagisce micca cù un protone. Invece, interagisce cù un elettrone o neutronu carica negativu, chì ùn hà micca carica à tutti. Questu rende difficiule di adattà a particella X17 in u nostru mudellu standard attuale. Bosoni sò assuciati cù e forze. I gluoni sò assuciati cù a forza forte, i bosoni cù a forza debule, è i fotoni cù l'elettromagnetismu. Ci hè ancu un bosonu ipoteticu per a gravità chjamatu gravitone. Cum'è un bosonu, X17 purterà una forza propria, cum'è quella chì finu à avà hè stata un misteru per noi è puderia esse.

L'universu è a so direzzione preferita?

In un documentu publicatu in aprile in a rivista Science Advances, i scientisti di l'Università di New South Wales in Sydney anu informatu chì e novi misurazioni di a luce emessa da un quasar à 13 miliardi d'anni-luce di distanza cunfirmanu studii precedenti chì anu trovu picculi variazioni in a struttura fine constante. di l'universu. Prufissuri John Webb da UNSW (6) spiega chì a struttura fine custante "hè una quantità chì i fisici utilizanu cum'è una misura di a forza elettromagnetica". forza elettromagnetica mantene l'elettroni intornu à i nuclei in ogni atomu di l'universu. Senza ellu, tutta a materia cascaria. Finu à pocu tempu, era cunsideratu una forza constante in u tempu è u spaziu. Ma in a so ricerca annantu à l'ultimi dui decennii, u prufessore Webb hà nutatu una anomalia in a struttura solida fina in quale a forza elettromagnetica, misurata in una direzzione scelta in l'universu, pare sempre un pocu sfarente.

"" spiega Webb. L'inconsistenze ùn parevanu micca in e misurazioni di a squadra australiana, ma in paragunà i so risultati cù parechje altre misurazioni di luce quasar da altri scientifichi.

"" dice u prufessore Webb. "". In u so parè, i risultati parenu suggerisce chì ci pò esse una direzzione preferita in l'universu. In altri palori, l'universu averebbe in un certu sensu una struttura dipolu.

"" Dice u scientist nantu à l'anomali marcati.

Questa hè una cosa più: invece di ciò chì era pensatu per esse una diffusione aleatoria di galaxie, quasars, nuvole di gas è pianeti cù a vita, l'universu di colpu hà una contraparte nordu è miridiunali. U prufessore Webb hè quantunque prontu à ammette chì i risultati di e misurazioni da i scientisti realizati in diverse tappe cù e diverse tecnulugii è da diversi lochi di a Terra sò in fattu una grande coincidenza.

Webb signala chì s'ellu ci hè direzzione in l'universu, è se l'elettromagnetismu hè un pocu sfarente in certi rigioni di u cosmos, i cuncetti più fundamentali daretu à a maiò parte di a fisica muderna deve esse rivisitati. "", parla. U mudellu hè basatu annantu à a teoria di a gravità di Einstein, chì assume esplicitamente a constanza di e lege di a natura. È se no, allora ... u pensamentu di vultà tuttu l'edificu di a fisica hè stupente.