La nova física brilla des de molts llocs

Qualsevol canvi possible que voldríem fer al model estàndard de la física (1) o a la relativitat general, les nostres dues millors teories (encara que incompatibles) de l'univers, ja són molt limitades. En altres paraules, no es pot canviar gaire sense soscavar el conjunt.

El cas és que també hi ha resultats i fenòmens que no es poden explicar a partir dels models que ens coneixem. Aleshores, hem de fer tot el possible per fer que tot sigui inexplicable o inconsistent a qualsevol preu d'acord amb les teories existents, o hem de buscar-ne de noves? Aquesta és una de les qüestions fonamentals de la física moderna.

El model estàndard de física de partícules ha explicat amb èxit totes les interaccions conegudes i descobertes entre partícules que s'han observat mai. L'univers està format per quarks, leptonov i els bosons gauge, que transmeten tres de les quatre forces fonamentals de la natura i donen a les partícules la seva massa en repòs. També hi ha relativitat general, la nostra, malauradament, no és una teoria quàntica de la gravetat, que descriu la relació entre l'espai-temps, la matèria i l'energia a l'univers.

La dificultat d'anar més enllà d'aquestes dues teories és que si s'intenta canviar-les introduint nous elements, conceptes i magnituds, obtindreu resultats que contradiuen les mesures i observacions que ja tenim. També val la pena recordar que si voleu anar més enllà del nostre marc científic actual, la càrrega de la prova és enorme. D'altra banda, és difícil no esperar tant d'algú que soscava models provats i provats durant dècades.

Davant d'aquestes demandes, no és d'estranyar que gairebé ningú intenti desafiar completament el paradigma existent a la física. I si ho fa, no es pren gens seriosament, ja que ràpidament ensopega amb simples controls. Per tant, si veiem forats potencials, aquests són només reflectors, que indiquen que alguna cosa brilla en algun lloc, però no està clar si val la pena anar-hi.

La física coneguda no pot manejar l'univers

Exemples de la brillantor d'aquest "completament nou i diferent"? Bé, per exemple, les observacions de la velocitat de retrocés, que semblen incompatibles amb l'afirmació que l'Univers només està ple de partícules del model estàndard i obeeix a la teoria general de la relativitat. Sabem que les fonts de gravetat individuals, les galàxies, els cúmuls de galàxies i fins i tot la gran xarxa còsmica no són suficients per explicar aquest fenomen, potser. Sabem que, tot i que el model estàndard estableix que la matèria i l'antimatèria s'han de crear i destruir en quantitats iguals, vivim en un univers compost majoritàriament per matèria amb una petita quantitat d'antimatèria. En altres paraules, veiem que la "física coneguda" no pot explicar tot el que veiem a l'univers.

Molts experiments han donat resultats inesperats que, si es provessin a un nivell superior, podrien ser revolucionaris. Fins i tot l'anomenada anomalia atòmica que indica l'existència de partícules pot ser un error experimental, però també pot ser un signe d'anar més enllà del model estàndard. Els diferents mètodes de mesura de l'univers donen diferents valors per a la velocitat de la seva expansió, un problema que vam considerar amb detall en un dels últims números de MT.

Tanmateix, cap d'aquestes anomalies dóna resultats prou convincents per ser considerades un signe indiscutible de la nova física. Qualsevol o tots aquests poden ser simplement fluctuacions estadístiques o un instrument calibrat incorrectament. Molts d'ells poden apuntar a una nova física, però amb la mateixa facilitat es poden explicar utilitzant partícules i fenòmens coneguts en el context de la relativitat general i el model estàndard.

Tenim previst experimentar, amb l'esperança d'obtenir resultats i recomanacions més clars. Aviat podrem veure si l'energia fosca té un valor constant. Basat en estudis de galàxies planificats per l'Observatori Vera Rubin i dades sobre supernoves llunyanes que estaran disponibles en el futur. Telescopi Nancy Grace, anteriorment WFIRST, hem d'esbrinar si l'energia fosca evoluciona amb el temps fins a l'1%. Si és així, caldrà canviar el nostre model cosmològic "estàndard". És possible que l'antena d'interferòmetre làser espacial (LISA) pel que fa al pla també ens doni sorpreses. En definitiva, comptem amb els vehicles d'observació i experiments que estem planificant.

També seguim treballant en el camp de la física de partícules, amb l'esperança de trobar fenòmens fora del Model, com ara una mesura més precisa dels moments magnètics de l'electró i el muó -si no coincideixen, apareix una nova física-. Estem treballant per esbrinar com fluctuen neutrins – Aquí també brilla la nova física. I si construïm un col·lisionador electró-positró precís, circular o lineal (2), podem detectar coses més enllà del model estàndard que l'LHC encara no pot detectar. Al món de la física, fa temps que es proposa una versió més gran de l'LHC amb una circumferència de fins a 100 km. Això donaria energies de col·lisió més altes, que, segons molts físics, finalment indicarien nous fenòmens. No obstant això, es tracta d'una inversió extremadament cara, i la construcció d'un gegant només pel principi: "construïm-lo i veurem què ens mostrarà" genera molts dubtes.

2. Col·lisionador lineal de leptons - visualització

Hi ha dos tipus d'enfocament dels problemes en ciència física. El primer és un enfocament complex, que consisteix en el disseny estret d'un experiment o d'un observatori per resoldre un problema concret. El segon enfocament s'anomena mètode de força bruta.que desenvolupa un experiment o observatori universal i que superi els límits per explorar l'univers d'una manera completament nova que els nostres enfocaments anteriors. El primer està millor orientat en el Model Estàndard. El segon permet trobar rastres d'alguna cosa més, però, malauradament, aquest quelcom no està ben definit. Per tant, ambdós mètodes tenen els seus inconvenients.

Busqueu l'anomenada Teoria del Tot (TUT), el sant grial de la física, s'ha de situar en la segona categoria, ja que la majoria de les vegades es tracta de trobar energies cada cop més altes (3), a les quals les forces de la natura finalment es combina en una interacció.

3. Energies necessàries per a una hipotètica unificació de les interaccions

neutri de Nisforn

Recentment, la ciència s'ha centrat cada cop més en àrees més interessants, com la investigació sobre neutrins, sobre la qual hem publicat recentment un ampli informe a MT. El febrer de 2020, l'Astrophysical Journal va publicar una publicació sobre el descobriment de neutrins d'alta energia d'origen desconegut a l'Antàrtida. A més del conegut experiment, també es va dur a terme una investigació al continent gelat amb el nom en codi ANITA (), consistent en l'alliberament d'un globus amb un sensor. ones de ràdio.

Tots dos i ANITA van ser dissenyats per buscar ones de ràdio dels neutrins d'alta energia que xoquen amb la matèria sòlida que forma el gel. Avi Loeb, president del Departament d'Astronomia de Harvard, va explicar al lloc web del Saló: "Els esdeveniments detectats per ANITA sens dubte semblen una anomalia perquè no es poden explicar com a neutrins procedents de fonts astrofísiques. (...) Podria ser una mena de partícula que interactua més feble que un neutrin amb la matèria ordinària. Sospitem que aquestes partícules existeixen com a matèria fosca. Però què fa que els esdeveniments ANITA siguin tan enèrgics?

Els neutrins són les úniques partícules conegudes que violen el model estàndard. Segons el Model Estàndard de partícules elementals, hem de tenir tres tipus de neutrins (electrònics, muònics i tau) i tres tipus d'antineutrins, i després de la seva formació han de ser estables i inalterables en les seves propietats. Des dels anys 60, quan van aparèixer els primers càlculs i mesures dels neutrins produïts pel Sol, ens vam adonar que hi havia un problema. Sabíem quants neutrins electrònics es van formar nucli solar. Però quan vam mesurar quants van arribar, només vam veure un terç del nombre previst.

O alguna cosa no funciona amb els nostres detectors, o alguna cosa no funciona amb el nostre model del Sol, o alguna cosa no funciona amb els propis neutrins. Els experiments amb reactors van desmentir ràpidament la idea que hi havia alguna cosa malament amb els nostres detectors (4). Van treballar com s'esperava i el seu rendiment va ser molt ben valorat. Els neutrins que vam detectar es van registrar en proporció al nombre de neutrins que van arribar. Durant dècades, molts astrònoms han argumentat que el nostre model solar és incorrecte.

4. Imatges d'esdeveniments de neutrins a la radiació Cherenkov del detector Super Kamiokande

Per descomptat, hi havia una altra possibilitat exòtica que, si fos cert, canviaria la nostra comprensió de l'univers des del que va predir el Model Estàndard. La idea és que els tres tipus de neutrins que coneixem en realitat tenen massa, no magre, i que es poden barrejar (fluctuar) per canviar de sabor si tenen prou energia. Si el neutrin s'activa electrònicament, pot canviar al llarg del camí muó i taonovperò això només és possible quan té massa. Els científics estan preocupats pel problema dels neutrins dretans i esquerrans. Perquè si no el pots distingir, no pots distingir si és una partícula o una antipartícula.

Un neutrin pot ser la seva pròpia antipartícula? No segons el model estàndard habitual. Fermionsen general no haurien de ser les seves pròpies antipartícules. Un fermió és qualsevol partícula amb una rotació de ± XNUMX/XNUMX. Aquesta categoria inclou tots els quarks i leptons, inclosos els neutrins. Tanmateix, hi ha un tipus especial de fermions, que fins ara només existeix en teoria: el fermió Majorana, que és la seva pròpia antipartícula. Si existís, podria estar passant alguna cosa especial... lliure de neutrins doble desintegració beta. I aquí hi ha una oportunitat per als experimentadors que fa temps que busquen aquest buit.

En tots els processos observats que impliquen neutrins, aquestes partícules presenten una propietat que els físics anomenen esquerrana. Els neutrins de la mà dreta, que són l'extensió més natural del model estàndard, no es veuen enlloc. Totes les altres partícules MS tenen una versió per a la dreta, però els neutrins no. Per què? L'última anàlisi extremadament exhaustiva d'un equip internacional de físics, inclòs l'Institut de Física Nuclear de l'Acadèmia Polonesa de Ciències (IFJ PAN) a Cracòvia, ha fet investigacions sobre aquest tema. Els científics creuen que la manca d'observació dels neutrins dretans podria demostrar que són fermions de Majorana. Si ho fossin, la seva versió del costat dret és extremadament massiva, cosa que explica la dificultat de la detecció.

Tot i així, encara no sabem si els neutrins són antipartícules. No sabem si obtenen la seva massa de la unió molt feble del bosó de Higgs, o si l'obtenen a través d'algun altre mecanisme. I no ho sabem, potser el sector dels neutrins és molt més complex del que ens pensem, amb neutrins estèrils o pesats a la foscor.

Àtoms i altres anomalies

En la física de partícules elementals, a més dels neutrins de moda, hi ha altres àrees d'investigació menys conegudes des de les quals la "nova física" pot brillar. Els científics, per exemple, han proposat recentment un nou tipus de partícula subatòmica per explicar l'enigmàtic desintegració com (5), un cas especial d'una partícula mesó formada per un quark i un antiquari. Quan les partícules de kaon es desintegren, una petita fracció d'elles pateixen canvis que van sorprendre els científics. L'estil d'aquesta decadència pot indicar un nou tipus de partícula o una nova força física en funcionament. Això està fora de l'abast del model estàndard.

Hi ha més experiments per trobar llacunes en el model estàndard. Aquests inclouen la recerca del muó g-2. Fa gairebé cent anys, el físic Paul Dirac va predir el moment magnètic d'un electró utilitzant g, un nombre que determina les propietats d'espín d'una partícula. Aleshores, les mesures van mostrar que "g" és lleugerament diferent de 2, i els físics van començar a utilitzar la diferència entre el valor real de "g" i 2 per estudiar l'estructura interna de les partícules subatòmiques i les lleis de la física en general. L'any 1959, el CERN de Ginebra, Suïssa, va dur a terme el primer experiment que va mesurar el valor g-2 d'una partícula subatòmica anomenada muó, lligada a un electró però inestable i 207 vegades més pesada que una partícula elemental.

El Brookhaven National Laboratory de Nova York va iniciar el seu propi experiment i va publicar els resultats del seu experiment g-2 el 2004. La mesura no va ser la que va predir el model estàndard. Tanmateix, l'experiment no va recollir prou dades per a l'anàlisi estadística per demostrar de manera concloent que el valor mesurat era realment diferent i no només una fluctuació estadística. Altres centres de recerca estan duent a terme nous experiments amb g-2, i probablement coneixerem els resultats aviat.

Hi ha alguna cosa més intrigant que això Anomalies de Kaon i muó. El 2015, un experiment sobre la descomposició del beril·li 8Be va mostrar una anomalia. Els científics d'Hongria utilitzen el seu detector. Per cert, però, van descobrir, o van pensar que havien descobert, la qual cosa suggereix l'existència d'una cinquena força fonamental de la natura.

Els físics de la Universitat de Califòrnia es van interessar en l'estudi. Van suggerir que el fenomen crida anomalia atòmica, va ser causada per una partícula completament nova, que suposadament portaria la cinquena força de la natura. S'anomena X17 perquè es creu que la seva massa corresponent és de gairebé 17 milions d'electrons volts. Això és 30 vegades la massa d'un electró, però menys que la massa d'un protó. I la forma en què X17 es comporta amb un protó és una de les seves característiques més estranyes, és a dir, no interacciona en absolut amb un protó. En canvi, interacciona amb un electró o neutró carregat negativament, que no té cap càrrega. Això fa que sigui difícil encaixar la partícula X17 al nostre model estàndard actual. Els bosons estan associats a forces. Els gluons s'associen amb la força forta, els bosons amb la força feble i els fotons amb l'electromagnetisme. Fins i tot hi ha un bosó hipotètic per a la gravetat anomenat gravitó. Com a bosó, X17 portarà una força pròpia, com la que fins ara ha estat un misteri per a nosaltres i podria ser-ho.

L'univers i la seva direcció preferida?

En un article publicat aquest abril a la revista Science Advances, científics de la Universitat de Nova Gal·les del Sud a Sydney van informar que les noves mesures de la llum emesa per un quàsar a 13 milions d'anys llum de distància confirmen estudis anteriors que van trobar petites variacions en l'estructura constant fina. de l'univers. Professor John Webb de UNSW (6) explica que la constant d'estructura fina "és una quantitat que els físics utilitzen com a mesura de la força electromagnètica". força electromagnètica manté electrons al voltant dels nuclis de tots els àtoms de l'univers. Sense ell, tota la matèria s'esfondria. Fins fa poc, es considerava una força constant en el temps i l'espai. Però en la seva investigació durant les dues últimes dècades, el professor Webb ha notat una anomalia en l'estructura fina sòlida en què la força electromagnètica, mesurada en una direcció escollida a l'univers, sempre sembla ser lleugerament diferent.

"", explica Webb. Les inconsistències no van aparèixer en les mesures de l'equip australià, sinó en comparar els seus resultats amb moltes altres mesures de la llum del quàsar d'altres científics.

"", diu el professor Webb. "". Segons la seva opinió, els resultats semblen suggerir que pot haver-hi una direcció preferida a l'univers. En altres paraules, l'univers tindria d'alguna manera una estructura dipolar.

"" Diu el científic sobre les anomalies marcades.

Això és una cosa més: en comptes del que es pensava que era una dispersió aleatòria de galàxies, quàsars, núvols de gas i planetes amb vida, l'univers té, de sobte, una contrapartida del nord i del sud. No obstant això, el professor Webb està disposat a admetre que els resultats de les mesures realitzades per científics en diferents etapes utilitzant diferents tecnologies i des de diferents llocs de la Terra són de fet una gran coincidència.

Webb assenyala que si hi ha direccionalitat a l'univers i si l'electromagnetisme resulta ser lleugerament diferent en determinades regions del cosmos, caldrà revisar els conceptes més fonamentals darrere de gran part de la física moderna. "", parla. El model es basa en la teoria de la gravetat d'Einstein, que assumeix explícitament la constància de les lleis de la naturalesa. I si no, aleshores... la idea de convertir tot l'edifici de la física és impressionant.