تتألق فيزياء جديدة من عدة أماكن

أي تغييرات محتملة نود إجراؤها على النموذج القياسي للفيزياء (1) أو النسبية العامة ، أفضل نظريتين (على الرغم من عدم توافقهما) للكون ، محدودة للغاية بالفعل. بمعنى آخر ، لا يمكنك تغيير الكثير دون تقويض الكل.

الحقيقة هي أن هناك أيضًا نتائج وظواهر لا يمكن تفسيرها على أساس النماذج المعروفة لدينا. لذا هل يجب أن نبذل قصارى جهدنا لجعل كل شيء غير قابل للتفسير أو غير متسق بأي ثمن يتفق مع النظريات الموجودة ، أم ينبغي علينا البحث عن نظريات جديدة؟ هذا هو أحد الأسئلة الأساسية للفيزياء الحديثة.

نجح النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات في شرح جميع التفاعلات المعروفة والمكتشفة بين الجسيمات التي تمت ملاحظتها على الإطلاق. الكون مكون من جسيمات دون الذرية, ليبتونوف وقياس البوزونات ، التي تنقل ثلاثة من القوى الأساسية الأربعة في الطبيعة وتعطي الجسيمات كتلة سكونها. هناك أيضًا النسبية العامة ، للأسف نظريتنا غير الكمومية للجاذبية ، والتي تصف العلاقة بين الزمكان والمادة والطاقة في الكون.

تكمن صعوبة تجاوز هاتين النظريتين في أنك إذا حاولت تغييرهما عن طريق إدخال عناصر ومفاهيم وكميات جديدة ، فستحصل على نتائج تتعارض مع القياسات والملاحظات التي لدينا بالفعل. من الجدير أيضًا أن نتذكر أنه إذا كنت تريد تجاوز إطارنا العلمي الحالي ، فإن عبء الإثبات سيكون هائلاً. من ناحية أخرى ، من الصعب ألا نتوقع الكثير من شخص يقوض النماذج التي تم تجربتها واختبارها لعقود.

في مواجهة مثل هذه المطالب ، ليس من المستغرب ألا يحاول أحد تقريبًا تحدي النموذج الموجود في الفيزياء تمامًا. وإذا حدث ذلك ، فلن يؤخذ على محمل الجد على الإطلاق ، لأنه يتعثر بسرعة في عمليات التحقق البسيطة. لذلك ، إذا رأينا ثقوبًا محتملة ، فهذه مجرد عواكس ، تشير إلى أن شيئًا ما يضيء في مكان ما ، لكن ليس من الواضح ما إذا كان الأمر يستحق الذهاب إلى هناك على الإطلاق.

الفيزياء المعروفة لا تستطيع التعامل مع الكون

أمثلة على وميض هذا "جديد تمامًا ومختلف"؟ حسنًا ، على سبيل المثال ، ملاحظات معدل الارتداد ، والتي تبدو غير متسقة مع العبارة القائلة بأن الكون مملوء فقط بجزيئات النموذج القياسي ويتبع النظرية العامة للنسبية. نحن نعلم أن المصادر الفردية للجاذبية ، والمجرات ، وعناقيد المجرات ، وحتى الشبكة الكونية العظيمة ، ربما لا تكفي لتفسير هذه الظاهرة. نحن نعلم أنه على الرغم من أن النموذج القياسي ينص على أنه يجب إنشاء المادة والمادة المضادة وتدميرها بكميات متساوية ، فإننا نعيش في كون يتكون في الغالب من مادة بكمية صغيرة من المادة المضادة. بعبارة أخرى ، نرى أن "الفيزياء المعروفة" لا يمكنها تفسير كل ما نراه في الكون.

أسفرت العديد من التجارب عن نتائج غير متوقعة قد تكون ثورية إذا تم اختبارها على مستوى أعلى. حتى ما يسمى بالشذوذ الذري الذي يشير إلى وجود الجسيمات يمكن أن يكون خطأ تجريبيًا ، ولكنه قد يكون أيضًا علامة على تجاوز النموذج القياسي. تعطي الطرق المختلفة لقياس الكون قيمًا مختلفة لمعدل تمدده - وهي مشكلة درسناها بالتفصيل في أحد الإصدارات الحديثة من الترجمة الآلية.

ومع ذلك ، لا يعطي أي من هذه الحالات الشاذة نتائج مقنعة بما فيه الكفاية ليتم اعتبارها علامة لا جدال فيها لفيزياء جديدة. قد تكون أي من هذه التقلبات أو جميعها مجرد تقلبات إحصائية أو أداة تمت معايرتها بشكل غير صحيح. قد يشير الكثير منهم إلى فيزياء جديدة ، ولكن يمكن تفسيرها بسهولة باستخدام الجسيمات والظواهر المعروفة في سياق النسبية العامة والنموذج القياسي.

نحن نخطط للتجربة ، على أمل الحصول على نتائج وتوصيات أوضح. قد نرى قريبًا ما إذا كانت الطاقة المظلمة لها قيمة ثابتة. بناءً على دراسات المجرات المخطط لها من قبل مرصد فيرا روبين والبيانات الخاصة بالمستعرات الأعظمية البعيدة التي ستتاح في المستقبل. تلسكوب نانسي جريس، سابقًا WFIRST ، نحتاج إلى معرفة ما إذا كانت الطاقة المظلمة تتطور بمرور الوقت إلى حدود 1٪. إذا كان الأمر كذلك ، فسيتعين تغيير نموذجنا الكوني "القياسي". من الممكن أن يمنحنا هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي (LISA) من حيث الخطة مفاجآت أيضًا. باختصار ، نحن نعتمد على مركبات المراقبة والتجارب التي نخطط لها.

ما زلنا نعمل أيضًا في مجال فيزياء الجسيمات ، على أمل العثور على ظواهر خارج النموذج ، مثل قياس أكثر دقة للعزم المغناطيسية للإلكترون والميون - إذا لم يتفقوا ، تظهر فيزياء جديدة. نحن نعمل على معرفة مدى تقلبها نيوترينو - هنا أيضًا ، تتألق فيزياء جديدة. وإذا قمنا ببناء مصادم إلكترون-بوزيترون دقيق ، دائري أو خطي (2) ، فيمكننا اكتشاف أشياء تتجاوز النموذج القياسي لا يستطيع المصادم LHC اكتشافه بعد. في عالم الفيزياء ، تم منذ فترة طويلة اقتراح نسخة أكبر من LHC بمحيط يصل إلى 100 كيلومتر. هذا من شأنه أن يعطي طاقات تصادم أعلى ، والتي ، وفقًا للعديد من الفيزيائيين ، ستشير أخيرًا إلى ظواهر جديدة. ومع ذلك ، هذا استثمار مكلف للغاية ، وبناء عملاق فقط على المبدأ - "دعونا نبنيه ونرى ما سيظهر لنا" يثير الكثير من الشكوك.

2. مصادم ليبتون الخطي - التصور

هناك نوعان من نهج المشاكل في العلوم الفيزيائية. الأول هو نهج معقد، والذي يتكون من التصميم الضيق لتجربة أو مرصد لحل مشكلة معينة. الطريقة الثانية تسمى طريقة القوة الغاشمة.الذي طور تجربة أو مرصدًا عالميًا لدفع الحدود لاستكشاف الكون بطريقة جديدة تمامًا عن مناهجنا السابقة. الأول موجه بشكل أفضل في النموذج القياسي. والثاني يسمح لك بالعثور على آثار لشيء أكثر ، ولكن ، للأسف ، لم يتم تعريف هذا الشيء تمامًا. وبالتالي ، فإن كلتا الطريقتين لها عيوبها.

ابحث عن ما يسمى نظرية كل شيء (TUT) ، الكأس المقدسة للفيزياء ، يجب أن توضع في الفئة الثانية ، لأنه في كثير من الأحيان يتعلق الأمر بإيجاد طاقات أعلى وأعلى (3) ، حيث تكون قوى تتحد الطبيعة في النهاية في تفاعل واحد.

3. الطاقات المطلوبة لتوحيد افتراضي للتفاعلات

نيوترينو نيسفور

في الآونة الأخيرة ، أصبح العلم أكثر وأكثر تركيزًا على المجالات الأكثر إثارة للاهتمام ، مثل أبحاث النيوترينو ، والتي نشرنا مؤخرًا تقريرًا مكثفًا عنها في MT. في فبراير 2020 ، نشرت مجلة الفيزياء الفلكية منشورًا عن اكتشاف نيوترينوات عالية الطاقة مجهولة المنشأ في القارة القطبية الجنوبية. بالإضافة إلى التجربة المعروفة ، تم إجراء بحث أيضًا في القارة المتجمدة تحت الاسم الرمزي ANITA () ، والذي يتكون من إطلاق بالون مع جهاز استشعار موجات الراديو.

تم تصميم كل من ANITA و ANITA للبحث عن موجات الراديو من النيوترينوات عالية الطاقة التي تصطدم بالمادة الصلبة التي يتكون منها الجليد. أوضح آفي لوب ، رئيس قسم علم الفلك بجامعة هارفارد ، على موقع Salon: "الأحداث التي اكتشفتها ANITA تبدو بالتأكيد شذوذًا لأنه لا يمكن تفسيرها على أنها نيوترينوات من مصادر فيزيائية فلكية. (...) قد يكون نوعًا من الجسيمات يتفاعل بشكل أضعف من تفاعل النيوترينو مع المادة العادية. نشك في وجود مثل هذه الجسيمات كمادة مظلمة. ولكن ما الذي يجعل أحداث ANITA حيوية للغاية؟ "

النيوترينوات هي الجسيمات الوحيدة المعروفة التي تنتهك النموذج القياسي. وفقًا للنموذج القياسي للجسيمات الأولية ، يجب أن يكون لدينا ثلاثة أنواع من النيوترينوات (الإلكترونية ، والميون والتاو) وثلاثة أنواع من مضادات النيترينوات ، وبعد تكوينها يجب أن تكون ثابتة وغير متغيرة في خصائصها. منذ الستينيات ، عندما ظهرت الحسابات والقياسات الأولى للنيوترينوات التي أنتجتها الشمس ، أدركنا أن هناك مشكلة. كنا نعرف عدد النيوترينوات الإلكترونية التي تشكلت فيها النواة الشمسية. ولكن عندما قمنا بقياس عدد الذين وصلوا ، رأينا فقط ثلث العدد المتوقع.

إما أن يكون هناك خطأ ما في أجهزة الكشف لدينا ، أو أن هناك خطأ ما في نموذجنا للشمس ، أو أن هناك خطأ ما في النيوترينوات نفسها. سرعان ما دحضت تجارب المفاعلات فكرة وجود خطأ ما في أجهزة الكشف لدينا (4). لقد عملوا كما هو متوقع وكان أداؤهم جيدًا جدًا. تم تسجيل النيوترينوات التي اكتشفناها بما يتناسب مع عدد النيوترينوات القادمة. على مدى عقود ، جادل العديد من علماء الفلك بأن نموذجنا الشمسي خاطئ.

4. صور لأحداث النيوترينو في إشعاع Cherenkov من كاشف Super Kamiokande

بالطبع ، كان هناك احتمال غريب آخر ، إذا كان صحيحًا ، سيغير فهمنا للكون مما تنبأ به النموذج القياسي. الفكرة هي أن الأنواع الثلاثة من النيوترينوات التي نعرفها تمتلك بالفعل كتلة ، وليس نحيف، وأنه يمكنهم المزج (التذبذب) لتغيير النكهات إذا كان لديهم طاقة كافية. إذا تم تشغيل النيوترينو إلكترونيًا ، فيمكن أن يتغير على طول الطريق ميون i تاونسلكن هذا ممكن فقط عندما يكون لديه كتلة. العلماء قلقون بشأن مشكلة النيوترينوات اليمنى واليسرى. لأنه إذا كنت لا تستطيع تمييزه ، فلا يمكنك التمييز ما إذا كان جسيمًا أو جسيمًا مضادًا.

هل يمكن أن يكون النيوترينو مضادًا له؟ ليس وفقًا للنموذج القياسي المعتاد. فيرميونبشكل عام لا ينبغي أن تكون الجسيمات المضادة الخاصة بهم. الفرميون هو أي جسيم دورانه ± XNUMX/XNUMX. تشمل هذه الفئة جميع الكواركات واللبتونات ، بما في ذلك النيوترينوات. ومع ذلك ، هناك نوع خاص من الفرميونات ، والذي لا يوجد حتى الآن إلا من الناحية النظرية - ماجورانا فيرميون ، وهو الجسيم المضاد الخاص به. إذا كان موجودًا ، فقد يحدث شيء خاص ... خالي من النيوترينو ضعف بيتا الاضمحلال. وهذه فرصة للمُجربين الذين طالما بحثوا عن مثل هذه الفجوة.

في جميع العمليات المرصودة التي تنطوي على نيوترينوات ، تُظهر هذه الجسيمات خاصية يسميها الفيزيائيون اليد اليسرى. النيوترينوات اليمنى ، وهي الامتداد الطبيعي للنموذج القياسي ، لا يمكن رؤيتها في أي مكان. تمتلك جميع جسيمات MS الأخرى نسخة أيمن ، لكن النيوترينوات لا تمتلكها. لماذا؟ أجرى أحدث تحليل شامل للغاية أجراه فريق دولي من الفيزيائيين ، بما في ذلك معهد الفيزياء النووية التابع لأكاديمية العلوم البولندية (IFJ PAN) في كراكوف ، بحثًا حول هذه المسألة. يعتقد العلماء أن عدم مراقبة النيوترينوات اليمنى يمكن أن يثبت أنها فرميونات ماجورانا. إذا كان الأمر كذلك ، فإن نسختهم اليمنى ضخمة للغاية ، مما يفسر صعوبة الكشف.

ومع ذلك ، ما زلنا لا نعرف ما إذا كانت النيوترينوات هي نفسها جسيمات مضادة. لا نعرف ما إذا كانوا يحصلون على كتلتهم من الارتباط الضعيف جدًا لبوزون هيغز ، أو إذا حصلوا عليها من خلال آلية أخرى. ونحن لا نعلم ، ربما يكون قطاع النيوترينو أكثر تعقيدًا مما نعتقد ، مع وجود نيوترينوات معقمة أو ثقيلة في الظلام.

الذرات والشذوذ الأخرى

في فيزياء الجسيمات الأولية ، إلى جانب النيوترينوات العصرية ، هناك مجالات بحثية أخرى أقل شهرة يمكن أن تتألق منها "فيزياء جديدة". على سبيل المثال ، اقترح العلماء مؤخرًا نوعًا جديدًا من الجسيمات دون الذرية لشرح الغموض تسوس كاون (5) ، حالة خاصة من جسيم ميزون يتكون من كوارك واحد i تاجر تحف واحد. عندما تتحلل جسيمات كاون ، يخضع جزء صغير منها لتغييرات فاجأت العلماء. قد يشير نمط هذا الانحلال إلى نوع جديد من الجسيمات أو قوة بدنية جديدة في العمل. هذا خارج نطاق النموذج القياسي.

هناك المزيد من التجارب للعثور على فجوات في النموذج القياسي. وتشمل هذه البحث عن g-2 muon. منذ ما يقرب من مائة عام ، تنبأ الفيزيائي بول ديراك بالعزم المغناطيسية للإلكترون باستخدام g ، وهو رقم يحدد خصائص الدوران للجسيم. ثم أظهرت القياسات أن "g" تختلف قليلاً عن 2 ، وبدأ الفيزيائيون في استخدام الفرق بين القيمة الفعلية لـ "g" و 2 لدراسة التركيب الداخلي للجسيمات دون الذرية وقوانين الفيزياء بشكل عام. في عام 1959 ، أجرى المركز الأوروبي للأبحاث النووية (CERN) في جنيف ، سويسرا ، أول تجربة لقياس قيمة g-2 لجسيم دون ذري يُسمى الميون ، مرتبطًا بإلكترون ولكنه غير مستقر وأثقل 207 مرات من الجسيم الأولي.

بدأ مختبر Brookhaven الوطني في نيويورك تجربته الخاصة ونشر نتائج تجربة g-2 في عام 2004. لم يكن القياس ما توقعه النموذج القياسي. ومع ذلك ، لم تجمع التجربة بيانات كافية للتحليل الإحصائي لإثبات بشكل قاطع أن القيمة المقاسة كانت مختلفة بالفعل وليست مجرد تقلب إحصائي. تجري مراكز بحثية أخرى الآن تجارب جديدة مع g-2 ، ومن المحتمل أن نعرف النتائج قريبًا.

هناك شيء أكثر إثارة للاهتمام من هذا شذوذ كاون i ميون. في عام 2015 ، أظهرت تجربة تحلل البريليوم 8 بي وجود حالة شاذة. يستخدم العلماء في المجر كاشفهم. ومع ذلك ، بالمناسبة ، اكتشفوا أو اعتقدوا أنهم اكتشفوا ، مما يشير إلى وجود قوة أساسية خامسة للطبيعة.

أصبح علماء الفيزياء من جامعة كاليفورنيا مهتمين بالدراسة. اقترحوا أن تسمى هذه الظاهرة شذوذ الذرة، بسبب جسيم جديد تمامًا ، كان من المفترض أن يحمل القوة الخامسة للطبيعة. يطلق عليه X17 لأنه يُعتقد أن كتلته المقابلة تقارب 17 مليون إلكترون فولت. هذا يساوي 30 ضعف كتلة الإلكترون ، ولكنه أقل من كتلة البروتون. والطريقة التي يتصرف بها X17 مع البروتون هي واحدة من أغرب ميزاته - أي أنه لا يتفاعل مع البروتون على الإطلاق. وبدلاً من ذلك ، فإنه يتفاعل مع إلكترون أو نيوترون سالب الشحنة ، وليس له شحنة على الإطلاق. هذا يجعل من الصعب ملاءمة جسيم X17 في نموذجنا القياسي الحالي. ترتبط البوزونات بالقوى. ترتبط الغلوونات بالقوة الشديدة والبوزونات مع القوة الضعيفة والفوتونات مرتبطة بالكهرومغناطيسية. حتى أن هناك بوزونًا افتراضيًا للجاذبية يسمى الجرافيتون. باعتبارها بوزونًا ، ستحمل X17 قوة خاصة بها ، مثل تلك التي ظلت حتى الآن لغزا بالنسبة لنا ويمكن أن تكون كذلك.

الكون واتجاهه المفضل؟

في ورقة بحثية نُشرت في أبريل الماضي في مجلة Science Advances ، أفاد علماء في جامعة نيو ساوث ويلز في سيدني أن القياسات الجديدة للضوء المنبعث من كوازار يبعد 13 مليار سنة ضوئية تؤكد الدراسات السابقة التي وجدت اختلافات صغيرة في البنية الثابتة الدقيقة. الكون. البروفيسور جون ويب من جامعة نيو ساوث ويلز (6) يوضح أن ثابت البنية الدقيقة "هو كمية يستخدمها الفيزيائيون كمقياس للقوة الكهرومغناطيسية." القوة الكهرومغناطيسية يحافظ على الإلكترونات حول النوى في كل ذرة في الكون. بدونها ، ستنهار كل المواد. حتى وقت قريب ، كانت تعتبر قوة ثابتة في الزمان والمكان. لكن في بحثه على مدى العقدين الماضيين ، لاحظ البروفيسور ويب وجود شذوذ في البنية الدقيقة الصلبة حيث تبدو القوة الكهرومغناطيسية ، المقاسة في اتجاه واحد مختار في الكون ، مختلفة قليلاً دائمًا.

يوضح "" ويب. لم تظهر التناقضات في قياسات الفريق الأسترالي ، ولكن في مقارنة نتائجهم بالعديد من القياسات الأخرى لضوء الكوازار بواسطة علماء آخرين.

"" يقول الأستاذ ويب. "". في رأيه ، يبدو أن النتائج تشير إلى أنه قد يكون هناك اتجاه مفضل في الكون. بعبارة أخرى ، سيكون للكون ، بمعنى ما ، بنية ثنائية القطب.

"" يقول العالم عن الشذوذ الملحوظ.

هذا شيء آخر: فبدلاً مما كان يُعتقد أنه توزيع عشوائي للمجرات والكوازارات والغيوم الغازية والكواكب ذات الحياة ، أصبح للكون فجأة نظير شمالي وجنوبي. ومع ذلك ، فإن البروفيسور ويب مستعد للاعتراف بأن نتائج القياسات التي أجراها العلماء في مراحل مختلفة باستخدام تقنيات مختلفة ومن أماكن مختلفة على الأرض هي في الواقع مصادفة كبيرة.

يشير ويب إلى أنه إذا كان هناك اتجاه في الكون ، وإذا تبين أن الكهرومغناطيسية مختلفة قليلاً في مناطق معينة من الكون ، فإن المفاهيم الأساسية الكامنة وراء الكثير من الفيزياء الحديثة سوف تحتاج إلى إعادة النظر. "" ، يتحدث. يعتمد النموذج على نظرية الجاذبية لأينشتاين ، التي تفترض صراحة ثبات قوانين الطبيعة. وإذا لم يكن الأمر كذلك ، فإن ... التفكير في تحويل صرح الفيزياء بأكمله هو أمر مذهل.