Fisika berriak distira egiten du leku askotan

Fisikaren Eredu Estandarra (1) edo erlatibitate orokorrari, unibertsoari buruzko gure bi teoria onenak (bateraezinak izan arren) egin nahiko genituzkeen aldaketak oso mugatuak dira dagoeneko. Beste era batera esanda, ezin duzu asko aldatu osotasuna ahuldu gabe.

Kontua da ezagutzen ditugun ereduetatik abiatuta azaldu ezin daitezkeen emaitzak eta fenomenoak ere badaudela. Beraz, gure bidetik atera behar al gara dena azalezina edo koherentea izan dadin kosta ahala kosta lehendik dauden teoriekin bat datorrena, ala berriak bilatu behar ditugu? Hau da fisika modernoaren oinarrizko galderetako bat.

Partikulen Fisikaren Eredu Estandarrak arrakastaz azaldu ditu inoiz ikusi diren partikulen arteko elkarrekintza ezagutu eta aurkitu guztiak. Unibertsoa osatzen da quarkak, leptonov eta gauge bosoiak, naturako lau oinarrizko indarretatik hiru transmititzen dituztenak eta partikulei atseden-masa ematen diete. Erlatibitate orokorra ere badago, gure, zoritxarrez, ez grabitatearen teoria kuantikoa, espazio-denbora, materia eta unibertsoko energiaren arteko erlazioa deskribatzen duena.

Bi teoria horietatik haratago joateko zailtasuna zera da: elementu, kontzeptu eta kantitate berriak sartuz aldatzen saiatzen bazara, lehendik ditugun neurri eta behaketekin kontraesanean dauden emaitzak lortuko dituzu. Gainera, gogoratzea komeni da gure egungo esparru zientifikotik haratago joan nahi baduzu frogaren zama izugarria dela. Bestalde, zaila da hamarkadetan probatutako ereduak ahultzen dituenarengandik hainbeste ez espero izatea.

Halako eskakizunen aurrean, ez da harritzekoa ia inor fisikan dagoen paradigma guztiz zalantzan jartzen saiatzea. Eta hala egiten badu, ez da batere serio hartzen, azkar estropezu egiten baitu egiaztapen soiletan. Beraz, zulo potentzialak ikusten baditugu, hauek islatzaileak besterik ez dira, nonbait distira egiten ari dela adierazten dutenak, baina ez dago argi hara joateak merezi duen ala ez.

Fisika ezagunak ezin du unibertsoa maneiatu

"Guztiz berria eta ezberdina" honen distiraren adibideak? Beno, adibidez, atzerakada tasaren behaketak, Unibertsoa Eredu Estandarreko partikulaz soilik betetzen dela eta erlatibitatearen teoria orokorrari men egiten dion baieztapenarekin bat ez dirudi. Badakigu grabitate iturri indibidualak, galaxiak, galaxia multzoak eta sare kosmiko handia ere ez direla nahikoa fenomeno hau azaltzeko, agian. Badakigu, Eredu Estandarrak materia eta antimateria kantitate berdinetan sortu eta suntsitu behar direla dioen arren, gehienbat materiaz osatutako unibertso batean bizi garela antimateria kopuru txiki batekin. Beste era batera esanda, ikusten dugu "fisika ezagunak" ezin duela unibertsoan ikusten dugun guztia azaldu.

Esperimentu askok ustekabeko emaitzak eman dituzte, maila altuago batean probatuz gero, iraultzaileak izan daitezkeenak. Partikulen existentzia adierazten duen anomalia atomikoa deritzona ere errore esperimentala izan daiteke, baina Eredu Estandarretik haratago joan izanaren seinale ere izan daiteke. Unibertsoa neurtzeko metodo ezberdinek balio desberdinak ematen dituzte bere hedapen-tasa - MT-ren azken aleetako batean zehatz-mehatz aztertu genuen arazoa.

Hala ere, anomalia horietako batek ere ez du emaitza nahiko sinesgarririk ematen fisika berriaren seinale eztabaidaezintzat hartzeko. Horiek guztiak edo guztiak gorabehera estatistikoak edo gaizki kalibratutako tresna bat izan daitezke. Horietako askok fisika berria adierazi dezakete, baina erlatibitate orokorraren eta Eredu Estandarraren testuinguruan ezagutzen diren partikula eta fenomenoak erabiliz bezain erraz azal daitezke.

Esperimentatzeko asmoa dugu, emaitza eta gomendio argiagoak lortzeko asmoz. Laster ikusiko dugu energia ilunak balio konstantea duen. Vera Rubin Behatokiak aurreikusitako galaxien azterketetan eta urrutiko supernobei buruzko datuetan oinarrituta. nancy grace teleskopioa, lehenago WFIRST, energia iluna denborarekin % 1era eboluzionatzen den jakin behar dugu. Hala bada, gure eredu kosmologiko "estandarra" aldatu beharko da. Baliteke planaren aldetik espazioko laser interferometroaren antena (LISA) ere sorpresak ematea. Laburbilduz, planifikatzen ari garen behaketa-ibilgailu eta esperimentuekin kontatzen ari gara.

Partikulen fisikaren alorrean ere lanean dihardugu, Eredutik kanpo fenomenoak aurkitzeko asmoz, hala nola elektroiaren eta muoiaren momentu magnetikoen neurketa zehatzagoa -bat ez badatoz, fisika berria agertzen da-. Lanean ari gara nola aldatzen diren jakiteko neutrinoa - Hemen ere fisika berriak distira egiten du. Eta elektroi-positroi talkatzaile zehatz bat eraikitzen badugu, zirkularra edo lineala (2), LHCk oraindik detektatu ezin dituen Eredu Estandarrez haratago gauzak detekta ditzakegu. Fisikaren munduan, 100 km-ra arteko zirkunferentzia duen LHCren bertsio handiagoa proposatzen da. Honek talka-energia handiagoak emango lituzke, eta horrek, fisikari askoren ustez, azkenean fenomeno berriak adieraziko lituzke. Hala ere, inbertsio oso garestia da, eta erraldoi bat printzipioz soilik eraikitzeak - "eraiki dezagun eta ikus dezagun zer erakutsiko digun" zalantza asko sortzen ditu.

2. Lepton talkatzaile lineala - bistaratzea

Zientzia fisikoan bi arazoen planteamendu mota daude. Lehenengoa ikuspegi konplexua da, problema zehatz bat ebazteko esperimentu edo behatoki baten diseinu estuan datza. Bigarren ikuspegiari indar gordinaren metodoa deitzen zaio.unibertsoa gure aurreko planteamenduak baino modu guztiz berri batean arakatzeko esperimentu edo behatoki unibertsal eta muga-bultzatzaile bat garatzen duena. Lehenengoa Eredu Estandarra hobeto orientatuta dago. Bigarrenak zerbait gehiagoren aztarnak aurkitzeko aukera ematen du, baina, tamalez, zerbait hori ez dago zehatz-mehatz zehaztuta. Beraz, bi metodoek bere eragozpenak dituzte.

Bilatu Guztiaren Teoria (TUT) deritzona, fisikaren Grial Santua, bigarren kategorian kokatu behar da, izan ere, gehienetan geroz eta energia handiagoak aurkitzera dator (3), zeinetan indarren indarrak. natura, azkenean, elkarrekintza batean konbinatzen da.

3. Interakzioen bateratze hipotetiko baterako beharrezkoak diren energiak

Nisfornen neutrinoa

Azkenaldian, zientzia gero eta gehiago zentratu da alor interesgarriagoetara, hala nola neutrinoen ikerketara, zeinari buruz berriki txosten zabal bat argitaratu dugun MTn. 2020ko otsailean, Astrophysical Journal-ek Antartikan jatorri ezezaguna duten energia handiko neutrinoen aurkikuntzari buruzko argitalpen bat argitaratu zuen. Esperimentu ezagunaz gain, kontinente izoztuan ere ikerketa egin zen ANITA (kode izenarekin), sentsore batekin globo bat askatzean datza. irrati-uhinak.

Biak eta ANITA izotza osatzen duten materia solidoarekin talka egiten duten energia handiko neutrinoen irrati-uhinak bilatzeko diseinatu ziren. Avi Loeb Harvardeko Astronomia Saileko presidenteak Salon webgunean azaldu zuenez: “ANITAk detektatu dituen gertaerak, zalantzarik gabe, anomalia bat dirudite, ezin direlako iturri astrofisikoetatik datozen neutrino gisa azaldu. (...) Neutrino bat baino ahulagoa den materia arruntarekin elkarreragiten duen partikula mota bat izan daiteke. Susmoa dugu horrelako partikulak materia ilun gisa existitzen direla. Baina zerk eragiten du ANITAren ekitaldiak hain energetikoa?».

Neutrinoak dira Eredu Estandarra urratu duten partikula bakarrak. Oinarrizko partikulen Eredu Estandarraren arabera, hiru neutrino mota (elektronikoak, muoiak eta tau) eta hiru antineutrino mota izan behar ditugu, eta eratu ondoren egonkorrak eta bere propietateetan aldatu gabe egon behar dira. 60ko hamarkadatik, Eguzkiak sortutako neutrinoen lehen kalkuluak eta neurketak agertu zirenetik, arazo bat zegoela konturatu ginen. Bagenekien zenbat elektroi neutrinotan sortu ziren eguzki nukleoa. Baina zenbat iritsi ziren neurtu genuenean, aurreikusitako kopuruaren herena besterik ez genuen ikusi.

Edo zerbait gaizki dago gure detektagailuekin, edo zerbait gaizki dago gure Eguzkiaren ereduarekin, edo zerbait gaizki dago neutrinoekin. Erreaktoreen esperimentuek azkar gezurtatu zuten gure detektagailuekin zerbait gaizki zegoenaren ideia (4). Espero bezala aritu ziren eta euren errendimendua oso ondo baloratu zuten. Detektatu ditugun neutrinoak iristen ziren neutrino kopuruaren proportzioan erregistratu ziren. Hamarkadetan zehar, astronomo askok argudiatu dute gure eguzki-eredua okerra dela.

4. Super Kamiokande detektagailutik Cherenkov erradiazioaren neutrino-gertaeren irudiak

Jakina, bazegoen beste aukera exotiko bat, egia balitz, Eredu Estandarrak iragartzen zuenetik unibertsoaren ulermena aldatuko zuena. Ideia da ezagutzen ditugun hiru neutrino motak benetan masa dutela, ez makurtu, eta nahastu (fluktatu) egin dezaketela zaporeak aldatzeko, energia nahikoa badute. Neutrinoa elektronikoki abiarazten bada, bidean alda daiteke muoia i taonovbaina hau masa duenean bakarrik da posible. Zientzialariak kezkatuta daude eskuineko eta ezkerreko neutrinoen arazoarekin. Zeren ezin baduzu bereizten, ezin duzu bereizi partikula edo antipartikula den.

Neutrino bat izan al daiteke bere antipartikula? Ez ohiko Eredu Estandarraren arabera. Fermioiakoro har, ez lukete berezko antipartikulak izan behar. Fermiioa ± XNUMX/XNUMXko biraketa duen edozein partikula da. Kategoria honek quark eta leptoi guztiak barne hartzen ditu, neutrinoak barne. Hala ere, badago fermioi mota berezi bat, orain arte teorian bakarrik existitzen dena - Majorana fermioia, bere antipartikula propioa dena. Baliteke zerbait berezia gertatzea... neutrinorik gabekoa beta desintegrazio bikoitza. Eta hona hemen denbora luzez halako hutsune baten bila dabiltzan esperimentatzaileentzako aukera.

Neutrinoak inplikatzen dituzten ikusitako prozesu guztietan, partikula hauek fisikariek ezkertiartasuna deitzen duten propietatea erakusten dute. Eskuineko neutrinoak, Eredu Estandarraren luzapen naturalenak direnak, ez dira inon ikusten. Beste MS partikula guztiek eskuineko bertsioa dute, baina neutrinoek ez. Zergatik? Nazioarteko fisikari talde batek egindako azken azterketak, Poloniako Zientzia Akademiako (IFJ PAN) Krakoviako Fisika Nuklearreko Institutuak barne, gai honi buruzko ikerketak egin ditu. Zientzialariek uste dute eskuineko neutrinoen behaketa ezak Majorana fermioiak direla froga lezakeela. Hala balitz, eskuineko bertsioa oso masiboa da, eta horrek detektatzeko zailtasuna azaltzen du.

Hala ere, oraindik ez dakigu neutrinoak beraiek antipartikulak diren. Ez dakigu masa Higgs bosoiaren lotura oso ahuletik lortzen duten, edo beste mekanismoren baten bidez lortzen duten. Eta ez dakigu, agian neutrinoen sektorea uste baino askoz konplexuagoa da, neutrino esterilak edo astunak iluntasunean ezkutuan daudela.

Atomoak eta beste anomaliak

Oinarrizko partikulen fisikan, modan dauden neutrinoez gain, badira beste ikerketa-esparru ez hain ezagunak, zeinetatik "fisika berriak" distira egin dezakeen. Zientzialariek, adibidez, duela gutxi partikula azpiatomiko mota berri bat proposatu dute enigmatikoa azaltzeko. kaon desintegrazioa (5), mesoi partikula baten kasu berezi bat quark bat i antigoaleko saltzaile bat. Kaon partikulak desintegratzen direnean, haien zati txiki batek zientzialariak harritu zituzten aldaketak jasaten ditu. Desintegrazio honen estiloak partikula mota berri bat edo indar fisiko berri bat lanean adieraz dezake. Hau Eredu Estandarraren esparrutik kanpo dago.

Eredu Estandarrean hutsuneak aurkitzeko esperimentu gehiago daude. Besteak beste, g-2 muoiaren bilaketa. Duela ia ehun urte, Paul Dirac fisikariak elektroi baten momentu magnetikoa iragarri zuen g erabiliz, partikula baten spin propietateak zehazten dituen zenbakia. Orduan, neurketek erakutsi zuten "g" 2tik apur bat desberdina dela, eta fisikariak "g" eta 2ren benetako balioaren arteko aldea erabiltzen hasi ziren partikula azpiatomikoen barne egitura eta fisikaren legeak oro har aztertzeko. 1959an, Genevan (Suitza) CERNek muoi izeneko partikula azpiatomiko baten g-2 balioa neurtu zuen lehen esperimentua egin zuen, elektroi bati lotua baina ezegonkorra eta oinarrizko partikula bat baino 207 aldiz astunagoa.

New Yorkeko Brookhaven National Laboratory-k bere esperimentu propioa hasi zuen eta g-2 esperimentuaren emaitzak argitaratu zituen 2004an. Neurketa ez zen Eredu Estandarrak iragartzen zuena. Hala ere, esperimentuak ez zuen datu nahikorik bildu analisi estatistikorako, neurtutako balioa benetan ezberdina zela eta ez estatistiko-fluktuazio bat bakarrik frogatzeko. Beste ikerketa-zentro batzuk esperimentu berriak egiten ari dira orain g-2rekin, eta ziurrenik laster jakingo ditugu emaitzak.

Hau baino zerbait interesgarriagoa dago Kaon anomaliak i muoia. 2015ean, 8Be berilioaren desintegrazioari buruzko esperimentu batek anomalia bat erakutsi zuen. Hungariako zientzialariek detektagailua erabiltzen dute. Hala ere, bidenabar, aurkitu zuten edo aurkitu zutela pentsatu zuten, eta horrek naturaren oinarrizko bosgarren indar baten existentzia iradokitzen du.

Kaliforniako Unibertsitateko fisikariak ikerketan interesatu ziren. Fenomenoak deitu zuela iradoki zuten atomo anomalia, partikula guztiz berri batek eragin zuen, naturaren bosgarren indarra eraman behar zuena. X17 deitzen zaio, dagokion masa ia 17 milioi elektroi voltio dela uste delako. Hau elektroi baten masa 30 aldiz handiagoa da, baina protoi baten masa baino txikiagoa. Eta X17 protoi batekin jokatzen duen modua bere ezaugarri bitxienetako bat da, hau da, ez du protoi batekin batere interakzioan. Horren ordez, negatiboki kargatutako elektroi edo neutroi batekin elkarreragiten du, batere kargarik ez duena. Horrek zaila egiten du X17 partikula gure egungo Eredu Estandarra egokitzea. Bosoiak indarrekin lotzen dira. Gluoiak indar indartsuarekin lotzen dira, bosoiak indar ahularekin eta fotoiak elektromagnetismoarekin. Grabitaterako bosoi hipotetiko bat ere badago, grabitoia izenekoa. Bosoi gisa, X17k berezko indarra eramango du, orain arte guretzat misterio bat izan eta izan litekeena, esaterako.

Unibertsoa eta bere norabide hobetsia?

Apirile honetan Science Advances aldizkarian argitaratutako artikulu batean, Sydneyko Hego Gales Berriko Unibertsitateko zientzialariek jakinarazi dutenez, 13 milioi argi-urtera dagoen quasar batek igorritako argiaren neurketa berriek egitura konstante finaren aldakuntza txikiak aurkitu zituzten aurreko ikerketek baieztatzen dute. unibertsoarena. John Webb irakaslea UNSW-tik (6) azaltzen du egitura finaren konstantea "fisikariek indar elektromagnetikoaren neurri gisa erabiltzen duten kantitatea dela". indar elektromagnetikoa unibertsoko atomo guztietan nukleoen inguruan elektroiak mantentzen ditu. Hori gabe, materia guztia hautsi egingo litzateke. Duela gutxi arte, denboran eta espazioan etengabeko indartzat hartzen zen. Baina azken bi hamarkadetan egindako ikerketetan, Webb irakasleak anomalia bat nabaritu du egitura fin solidoan, non indar elektromagnetikoa, aukeratutako norabide batean neurtuta, beti apur bat ezberdina dela dirudi.

"" azaltzen du Webbek. Inkoherentziak ez ziren Australiako taldearen neurketetan agertu, haien emaitzak beste zientzialari batzuen quasar argiaren beste neurketa askorekin alderatzean baizik.

"" dio Webb irakasleak. "". Bere ustez, badirudi emaitzek unibertsoan lehentasunezko norabide bat egon daitekeela iradokitzen dutela. Beste era batera esanda, unibertsoak nolabait dipolo egitura izango luke.

"" Dio zientzialariak markatutako anomaliei buruz.

Hau beste gauza bat da: galaxia, quasar, gas-hodei eta planeten ausazko hedapena zela uste zenaren ordez, unibertsoak iparraldeko eta hegoaldeko parekoa du bat-batean. Webb irakaslea, hala ere, prest dago onartzeko teknologia desberdinak erabiliz eta Lurreko leku ezberdinetatik hainbat fasetan egindako zientzialariek egindako neurketen emaitzak hain zuzen ere kasualitate itzelak direla.

Webb-ek adierazi duenez, unibertsoan norabidezkotasuna badago, eta elektromagnetismoa kosmoseko zenbait eskualdetan apur bat desberdina gertatzen bada, fisika modernoaren askoren atzean dauden kontzeptu oinarrizkoenak berriro aztertu beharko dira. "", hitz egiten du. Eredua Einsteinen grabitatearen teorian oinarritzen da, naturaren legeen konstantzia esplizituki bere gain hartzen duena. Eta ez bada, orduan... izpiritua ikaragarria da fisikaren eraikin osoa hankaz gora jartzearen pentsamendutik.