La nuova fisica traspare da molti luoghi

Eventuali modifiche che vorremmo apportare al Modello Standard della fisica (1) o alla relatività generale, le nostre due migliori (sebbene incompatibili) teorie dell'universo, sono già molto limitate. In altre parole, non puoi cambiare molto senza minare il tutto.

Il fatto è che ci sono anche risultati e fenomeni che non possono essere spiegati sulla base dei modelli a noi noti. Quindi dovremmo fare di tutto per rendere tutto inspiegabile o incoerente ad ogni costo coerente con le teorie esistenti, o dovremmo cercarne di nuove? Questa è una delle domande fondamentali della fisica moderna.

Il modello standard della fisica delle particelle ha spiegato con successo tutte le interazioni conosciute e scoperte tra le particelle che siano mai state osservate. L'universo è composto da quark, leptonov e bosoni di gauge, che trasmettono tre delle quattro forze fondamentali in natura e danno alle particelle la loro massa a riposo. C'è anche la relatività generale, la nostra, purtroppo, non una teoria quantistica della gravità, che descrive la relazione tra spazio-tempo, materia ed energia nell'universo.

La difficoltà nell'andare oltre queste due teorie è che se provi a cambiarle introducendo nuovi elementi, concetti e quantità, otterrai risultati che contraddicono le misurazioni e le osservazioni che già abbiamo. Vale anche la pena ricordare che se si vuole andare oltre il nostro attuale quadro scientifico, l'onere della prova è enorme. D'altra parte, è difficile non aspettarsi così tanto da qualcuno che mina modelli provati e testati per decenni.

Di fronte a tali richieste, non sorprende che quasi nessuno tenti di sfidare completamente il paradigma esistente in fisica. E se lo fa, non viene affatto preso sul serio, poiché inciampa rapidamente in semplici controlli. Quindi, se vediamo potenziali buchi, allora questi sono solo riflettori, segnalando che qualcosa sta brillando da qualche parte, ma non è chiaro se valga la pena andarci.

La fisica conosciuta non può gestire l'universo

Esempi del luccichio di questo “completamente nuovo e diverso”? Ebbene, ad esempio, le osservazioni del tasso di rinculo, che sembrano incoerenti con l'affermazione secondo cui l'Universo è pieno solo di particelle del Modello standard e obbedisce alla teoria generale della relatività. Sappiamo che le singole fonti di gravità, le galassie, gli ammassi di galassie e persino la grande rete cosmica non sono sufficienti per spiegare questo fenomeno, forse. Sappiamo che, sebbene il Modello Standard affermi che la materia e l'antimateria dovrebbero essere create e distrutte in quantità uguali, viviamo in un universo composto principalmente da materia con una piccola quantità di antimateria. In altre parole, vediamo che la "fisica conosciuta" non può spiegare tutto ciò che vediamo nell'universo.

Molti esperimenti hanno prodotto risultati inaspettati che, se testati a un livello superiore, potrebbero essere rivoluzionari. Anche la cosiddetta Anomalia Atomica che indica l'esistenza di particelle può essere un errore sperimentale, ma può anche essere un segno di andare oltre il Modello Standard. Diversi metodi di misurazione dell'universo danno valori diversi per la velocità della sua espansione, un problema che abbiamo considerato in dettaglio in uno dei recenti numeri di MT.

Tuttavia, nessuna di queste anomalie fornisce risultati sufficientemente convincenti per essere considerata un segno indiscutibile di una nuova fisica. Alcuni o tutti questi possono essere semplicemente fluttuazioni statistiche o uno strumento calibrato in modo errato. Molti di loro possono indicare una nuova fisica, ma possono essere spiegati altrettanto facilmente utilizzando particelle e fenomeni noti nel contesto della relatività generale e del Modello Standard.

Abbiamo in programma di sperimentare, sperando in risultati e consigli più chiari. Presto potremmo vedere se l'energia oscura ha un valore costante. Basato su studi sulle galassie pianificati dall'Osservatorio Vera Rubin e dati su supernove lontane che saranno resi disponibili in futuro. telescopio Nancy Grace, in precedenza WPRIST, dobbiamo scoprire se l'energia oscura si evolve nel tempo entro l'1%. Se è così, allora il nostro modello cosmologico "standard" dovrà essere cambiato. È possibile che anche l'antenna interferometro laser spaziale (LISA) in termini di progetto ci dia sorprese. In breve, contiamo sui veicoli di osservazione e sugli esperimenti che stiamo pianificando.

Stiamo ancora lavorando anche nel campo della fisica delle particelle, sperando di trovare fenomeni al di fuori del Modello, come una misurazione più accurata dei momenti magnetici dell'elettrone e del muone: se non sono d'accordo, appare una nuova fisica. Stiamo lavorando per capire come fluttuano neutrino – anche qui traspare una nuova fisica. E se costruiamo un accurato collisore elettrone-positrone, circolare o lineare (2), possiamo rilevare cose oltre il Modello standard che l'LHC non è ancora in grado di rilevare. Nel mondo della fisica è stata a lungo proposta una versione più grande dell'LHC con una circonferenza fino a 100 km. Ciò darebbe energie di collisione più elevate, che, secondo molti fisici, segnalerebbero finalmente nuovi fenomeni. Tuttavia, si tratta di un investimento estremamente costoso e la costruzione di un gigante solo in base al principio: "costruiamolo e vediamo cosa ci mostrerà" solleva molti dubbi.

2. Collisore di leptoni lineare - visualizzazione

Ci sono due tipi di approccio ai problemi nelle scienze fisiche. Il primo è un approccio complesso, che consiste nella progettazione ristretta di un esperimento o di un osservatorio per la risoluzione di un problema specifico. Il secondo approccio è chiamato metodo della forza bruta.che sviluppa un esperimento o un osservatorio universale che spinge i confini per esplorare l'universo in un modo completamente nuovo rispetto ai nostri approcci precedenti. Il primo è meglio orientato nel Modello Standard. La seconda permette di trovare tracce di qualcosa in più, ma, purtroppo, questo qualcosa non è esattamente definito. Pertanto, entrambi i metodi hanno i loro svantaggi.

Cercare la cosiddetta Teoria del Tutto (TUT), il Santo Graal della fisica, dovrebbe essere collocata nella seconda categoria, poiché il più delle volte si tratta di trovare energie sempre più elevate (3), a cui le forze di la natura alla fine si combina in un'unica interazione.

3. Energie richieste per un'ipotetica unificazione delle interazioni

neutrino di Nisforn

Di recente, la scienza si è concentrata sempre più su aree più interessanti, come la ricerca sui neutrini, sulla quale abbiamo recentemente pubblicato un ampio rapporto su MT. Nel febbraio 2020, l'Astrophysical Journal ha pubblicato una pubblicazione sulla scoperta di neutrini ad alta energia di origine sconosciuta in Antartide. Oltre al noto esperimento, è stata condotta anche una ricerca nel gelido continente sotto il nome in codice ANITA (), consistente nel rilascio di un pallone con sensore onde radio.

Entrambi e ANITA sono stati progettati per cercare le onde radio dei neutrini ad alta energia che entrano in collisione con la materia solida che costituisce il ghiaccio. Avi Loeb, presidente del Dipartimento di Astronomia di Harvard, ha spiegato sul sito web del Salon: “Gli eventi rilevati da ANITA sembrano certamente un'anomalia perché non possono essere spiegati come neutrini da fonti astrofisiche. (...) Potrebbe essere un qualche tipo di particella che interagisce più debole di un neutrino con la materia ordinaria. Sospettiamo che tali particelle esistano come materia oscura. Ma cosa rende gli eventi ANITA così energici?

I neutrini sono le uniche particelle note per aver violato il Modello Standard. Secondo il Modello Standard delle particelle elementari, dobbiamo avere tre tipi di neutrini (elettronici, muoni e tau) e tre tipi di antineutrini, e dopo la loro formazione devono essere stabili e inalterati nelle loro proprietà. Fin dagli anni '60, quando apparvero i primi calcoli e misurazioni dei neutrini prodotti dal Sole, ci rendemmo conto che c'era un problema. Sapevamo in quanti neutrini elettronici si erano formati nucleo solare. Ma quando abbiamo misurato quanti sono arrivati, abbiamo visto solo un terzo del numero previsto.

O qualcosa non va nei nostri rivelatori, o qualcosa non va nel nostro modello del Sole, o qualcosa non va nei neutrini stessi. Gli esperimenti sui reattori hanno rapidamente smentito l'idea che qualcosa non andasse nei nostri rivelatori (4). Hanno funzionato come previsto e le loro prestazioni sono state valutate molto bene. I neutrini che abbiamo rilevato sono stati registrati in proporzione al numero di neutrini in arrivo. Per decenni, molti astronomi hanno sostenuto che il nostro modello solare è sbagliato.

4. Immagini di eventi di neutrini nella radiazione Cherenkov dal rivelatore Super Kamiokande

Naturalmente, c'era un'altra possibilità esotica che, se fosse vera, avrebbe cambiato la nostra comprensione dell'universo rispetto a quanto previsto dal Modello Standard. L'idea è che i tre tipi di neutrini che conosciamo abbiano effettivamente massa, no magra, e che possono mescolarsi (fluttuare) per cambiare i sapori se hanno abbastanza energia. Se il neutrino viene attivato elettronicamente, può cambiare lungo il percorso muone i taonovma questo è possibile solo quando ha massa. Gli scienziati sono preoccupati per il problema dei neutrini destri e mancini. Perché se non puoi distinguerlo, non puoi distinguere se è una particella o un'antiparticella.

Un neutrino può essere l'antiparticella di se stesso? Non secondo il solito modello standard. fermioniin generale non dovrebbero essere le loro stesse antiparticelle. Un fermione è qualsiasi particella con una rotazione di ± XNUMX/XNUMX. Questa categoria include tutti i quark e i leptoni, compresi i neutrini. Tuttavia, esiste un tipo speciale di fermioni, che finora esiste solo in teoria: il fermione di Majorana, che è la sua stessa antiparticella. Se esistesse, potrebbe succedere qualcosa di speciale... esente da neutrini doppio decadimento beta. Ed ecco un'opportunità per gli sperimentatori che da tempo cercavano un tale divario.

In tutti i processi osservati che coinvolgono i neutrini, queste particelle mostrano una proprietà che i fisici chiamano mancino. I neutrini destrorsi, che sono l'estensione più naturale del Modello Standard, non si vedono da nessuna parte. Tutte le altre particelle MS hanno una versione destrorsa, ma i neutrini no. Come mai? L'ultima, estremamente completa analisi di un team internazionale di fisici, tra cui l'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) a Cracovia, ha svolto ricerche su questo tema. Gli scienziati ritengono che la mancanza di osservazione dei neutrini destrimani potrebbe dimostrare che sono fermioni di Majorana. Se lo fossero, la loro versione sul lato destro sarebbe estremamente massiccia, il che spiega la difficoltà di rilevamento.

Eppure non sappiamo ancora se i neutrini siano essi stessi antiparticelle. Non sappiamo se ottengono la loro massa dal legame molto debole del bosone di Higgs, o se la ottengono attraverso qualche altro meccanismo. E non lo sappiamo, forse il settore dei neutrini è molto più complesso di quanto pensiamo, con neutrini sterili o pesanti in agguato nell'oscurità.

Atomi e altre anomalie

Nella fisica delle particelle elementari, oltre ai neutrini di moda, ci sono altre aree di ricerca meno conosciute da cui può trasparire la "nuova fisica". Gli scienziati, ad esempio, hanno recentemente proposto un nuovo tipo di particella subatomica per spiegare l'enigmatico disintegrazione come (5), un caso speciale di una particella di mesone costituita da un quark i un antiquario. Quando le particelle di kaon decadono, una piccola parte di esse subisce cambiamenti che hanno sorpreso gli scienziati. Lo stile di questo decadimento può indicare un nuovo tipo di particella o una nuova forza fisica all'opera. Ciò non rientra nell'ambito del Modello Standard.

Ci sono più esperimenti per trovare lacune nel modello standard. Questi includono la ricerca del muone g-2. Quasi cento anni fa, il fisico Paul Dirac predisse il momento magnetico di un elettrone usando g, un numero che determina le proprietà di spin di una particella. Quindi le misurazioni hanno mostrato che "g" è leggermente diverso da 2, ei fisici hanno iniziato a utilizzare la differenza tra il valore effettivo di "g" e 2 per studiare la struttura interna delle particelle subatomiche e le leggi della fisica in generale. Nel 1959, il CERN di Ginevra, in Svizzera, condusse il primo esperimento che misurava il valore g-2 di una particella subatomica chiamata muone, legata a un elettrone ma instabile e 207 volte più pesante di una particella elementare.

Il Brookhaven National Laboratory di New York ha avviato il proprio esperimento e ha pubblicato i risultati del loro esperimento g-2 nel 2004. La misurazione non era quella prevista dal modello standard. Tuttavia, l'esperimento non ha raccolto dati sufficienti per l'analisi statistica per dimostrare in modo definitivo che il valore misurato era effettivamente diverso e non solo una fluttuazione statistica. Altri centri di ricerca stanno ora conducendo nuovi esperimenti con g-2 e probabilmente conosceremo presto i risultati.

C'è qualcosa di più intrigante di questo Anomalie di Kaon i muone. Nel 2015, un esperimento sul decadimento del berillio 8Be ha mostrato un'anomalia. Gli scienziati in Ungheria usano il loro rivelatore. Per inciso, tuttavia, hanno scoperto, o creduto di aver scoperto, il che suggerisce l'esistenza di una quinta forza fondamentale della natura.

I fisici dell'Università della California si sono interessati allo studio. Hanno suggerito che il fenomeno chiamasse anomalia atomica, è stato causato da una particella completamente nuova, che avrebbe dovuto trasportare la quinta forza della natura. Si chiama X17 perché si pensa che la sua massa corrispondente sia di quasi 17 milioni di elettronvolt. Questa è 30 volte la massa di un elettrone, ma inferiore alla massa di un protone. E il modo in cui X17 si comporta con un protone è una delle sue caratteristiche più strane, ovvero non interagisce affatto con un protone. Invece, interagisce con un elettrone o un neutrone caricato negativamente, che non ha alcuna carica. Ciò rende difficile inserire la particella X17 nel nostro attuale modello standard. I bosoni sono associati alle forze. I gluoni sono associati alla forza forte, i bosoni alla forza debole e i fotoni all'elettromagnetismo. Esiste anche un ipotetico bosone per gravità chiamato gravitone. Come bosone, X17 porterà una forza tutta sua, come quella che fino ad ora è stata un mistero per noi e potrebbe essere.

L'universo e la sua direzione preferita?

In un articolo pubblicato lo scorso aprile sulla rivista Science Advances, gli scienziati dell'Università del New South Wales a Sydney hanno riferito che nuove misurazioni della luce emessa da un quasar a 13 miliardi di anni luce di distanza confermano studi precedenti che hanno riscontrato piccole variazioni nella struttura fine e costante. dell'universo. Professor John Webb da UNSW (6) spiega che la costante di struttura fine "è una quantità che i fisici usano come misura della forza elettromagnetica". forza elettromagnetica mantiene gli elettroni attorno ai nuclei in ogni atomo dell'universo. Senza di essa, tutta la materia andrebbe in pezzi. Fino a poco tempo, era considerata una forza costante nel tempo e nello spazio. Ma nelle sue ricerche negli ultimi due decenni, il professor Webb ha notato un'anomalia nella solida struttura sottile in cui la forza elettromagnetica, misurata in una determinata direzione nell'universo, sembra essere sempre leggermente diversa.

"" spiega Webb. Le incongruenze non sono apparse nelle misurazioni del team australiano, ma nel confronto dei loro risultati con molte altre misurazioni della luce del quasar di altri scienziati.

"" dice il professor Webb. "". A suo avviso, i risultati sembrano suggerire che potrebbe esserci una direzione preferita nell'universo. In altre parole, l'universo avrebbe in un certo senso una struttura a dipolo.

"" Dice lo scienziato riguardo alle anomalie marcate.

Questa è un'altra cosa: invece di quella che si pensava fosse una diffusione casuale di galassie, quasar, nubi di gas e pianeti con la vita, l'universo ha improvvisamente una controparte settentrionale e meridionale. Il professor Webb è tuttavia pronto ad ammettere che i risultati delle misurazioni effettuate da scienziati in fasi diverse utilizzando diverse tecnologie e da luoghi diversi della Terra sono in realtà una grande coincidenza.

Webb sottolinea che se c'è direzionalità nell'universo e se l'elettromagnetismo risulta essere leggermente diverso in certe regioni del cosmo, i concetti più fondamentali alla base di gran parte della fisica moderna dovranno essere rivisitati. "", parla. Il modello si basa sulla teoria della gravità di Einstein, che presuppone esplicitamente la costanza delle leggi della natura. E se no, allora ... il pensiero di trasformare l'intero edificio della fisica è mozzafiato.