新物理學在許多地方閃耀

我們想要對物理標準模型（1）或廣義相對論（我們的兩個最好的（儘管不相容）宇宙理論）做出任何可能的改變，都已經非常有限了。 換句話說，你無法在不破壞整體的情況下改變很多事情。

事實是，還有一些結果和現象無法根據我們已知的模型來解釋。 那麼我們是應該不惜一切代價，盡力去做出那些無法解釋的或不符合現有理論的東西，還是應該尋找新的理論呢？ 這是現代物理學的基本問題之一。

粒子物理學的標準模型成功地解釋了所有已知的和已發現的已觀察到的粒子之間的相互作用。 宇宙是由 誇克, 列普托諾夫 和規範玻色子，它傳遞自然界四種基本力中的三種並賦予粒子靜止質量。 還有廣義相對論，不幸的是，它不是量子重力論，它描述了宇宙中時空、物質和能量之間的關係。

超越這兩種理論的困難在於，如果你試圖透過引入新的元素、概念和數量來改變它們，你將得到與我們已有的測量和觀察相矛盾的結果。 另外值得記住的是，如果你想超越我們目前的科學框架，舉證責任是巨大的。 另一方面，我們很難不對那些破壞了幾十年來久經考驗的模型的人抱有如此高的期望。

面對這樣的要求，幾乎沒有人試圖完全挑戰現有的物理學範式，這並不奇怪。 即使這種情況確實發生，也根本不會受到重視，因為它很快就會在簡單的檢查中陷入困境。 因此，如果我們看到潛在的漏洞，那麼這些只是反射器，表示某處有東西在發光，但尚不清楚是否值得去那裡。

著名物理學無法應付宇宙

這種「全新且不同」的閃光的例子？ 嗯，例如，對反沖速度的觀察，這似乎與宇宙僅充滿標準模型粒子並遵守廣義相對論的說法不一致。 我們知道，單一引力源、星系、星系團，甚至巨大的宇宙網都不足以解釋這種現象，也許除外。 我們知道，儘管根據標準模型，物質和反物質應該以相等的數量產生和毀滅，但我們生活在一個主要由物質和少量反物質組成的宇宙中。 換句話說，我們看到「已知的物理學」無法解釋我們在宇宙中看到的一切。

許多實驗產生了意想不到的結果，如果在更高水平上進行測試，這些結果可能是革命性的。 即使所謂的原子異常顯示粒子的存在，也可能是實驗錯誤，但也可能是超越標準模型的標誌。 測量宇宙的不同方法給出了不同的膨脹率值——我們在最近一期的 MT 中詳細研究了這個問題。

然而，這些異常現像都沒有提供足夠令人信服的結果來被視為新物理學無可爭議的標誌。 其中任何一個或所有這些都可能只是統計波動或儀器校準不正確。 其中許多可能預示著新的物理學，但它們可以在廣義相對論和標準模型的背景下使用已知的粒子和現象輕鬆地解釋。

我們計劃進行實驗，希望得到更清楚的結果和建議。 我們可能很快就會看到暗能量是否具有恆定值。 基於維拉魯賓天文台計劃進行的星系調查以及未來將提供的遙遠超新星數據。 南希·格雷斯望遠鏡，以前稱為 WFIRST，我們必須找出暗能量隨時間的演變是否在 1% 以內。 如果這是真的，那麼我們的「標準」宇宙學模型將不得不改變。 有可能計劃中的雷射干涉儀空間天線（LISA）也會帶給我們驚喜。 簡而言之，我們依賴我們計劃的觀測設備和實驗。

我們也正在研究粒子物理學，希望找到模型以外的現象，例如對電子和μ子磁矩的更精確測量——如果它們不一致，就會出現新的物理學。 我們正在努力找出它們如何波動 中微子 ——在這裡，新物理學也大放異彩。 如果我們建造一個精確的正負電子對撞機，無論是圓形的還是線性的 (2)，我們將能夠探測到大型強子對撞機尚未探測到的標準模型之外的物體。 在物理學界，人們早就提出了周長可達100公里的大型強子對撞機的更大版本。 這將產生更高的碰撞能量，根據許多物理學家的說法，這最終將預示著新的現象。 然而，這是一項極其昂貴的投資，僅以「讓我們建造它，看看它向我們展示什麼」的原則來建造一個巨人會引起很多疑問。

2. 線性輕子對撞機－可視化

解決物理科學問題的方法有兩種。 第一個是複雜的方法，包括為解決特定問題而進行的實驗或觀測站的狹隘設計。 第二種方法稱為暴力法。它設計了一個多功能的、突破邊界的實驗或天文台，以一種比我們以前的方法全新的方式探索宇宙。 第一個更熟悉標準模型。 第二個可以讓你找到更大的東西的痕跡，但不幸的是，這個東西沒有精確定義。 因此，這兩種方法都有其缺點。

尋找所謂的第二類應該包括萬物理論（THO），物理學的聖杯，因為它通常歸結為尋找更大的能量（3），在這種能量中，自然的力量最終結合在一起融入一次互動。

3.假設相互作用統一所需的能量

尼斯福納中微子

最近，科學開始越來越關注更有趣的領域，例如中微子研究，我們最近在 MT 上發表了廣泛的報告。 2020年XNUMX月，《天文物理學雜誌》發表了一篇關於在南極洲發現來源不明的高能中微子的文章。 除了眾所周知的實驗之外，還在冰凍大陸上進行了代號為ANITA（）的研究，其中包括釋放一個帶有感測器的氣球 無線電波.

ANITA 和 ANITA 的設計目的都是為了尋找高能量中微子與構成冰的固體物質碰撞產生的無線電波。 哈佛天文學系主任阿維·勒佈在沙龍網站上解釋：「ANITA探測到的事件顯然是一種異常現象，因為它們不能被解釋為來自天文物理來源的中微子。 （...）它可能是某種與比中微子弱的普通物質相互作用的粒子。 我們懷疑這些粒子以暗物質的形式存在。 但是是什麼讓 ANITA 活動如此充滿活力呢？

中微子是已知唯一違反標準模型的粒子。 根據基本粒子標準模型，我們應該有三種類型的中微子（電子、μ子和τ子）和三種類型的反中微子，它們一旦形成就應該是穩定的，性質不會改變。 自 60 世紀 XNUMX 年代以來，當首次對太陽產生的中微子進行計算和測量時，我們意識到存在問題。 我們知道有多少電子中微子產生 太陽能核心。 但當我們測量到達人數時，我們只看到了預測人數的三分之一。

要嘛是我們的探測器出了問題，要嘛是我們的太陽模型出了問題，又要嘛是中微子本身出了問題。 反應器實驗很快就消除了我們的探測器有問題的想法 (4)。 他們的表現符合預期，並且他們的表現得到了很好的評價。 我們檢測到的中微子是按照到達的中微子數量的比例記錄的。 幾十年來，許多天文學家一直認為我們的太陽模型是錯的。

4. 超級神岡探測器切倫科夫輻射中微子事件的圖像

當然，還有另一種奇特的可能性，如果它是真的，將改變我們對標準模型預測的宇宙的理解。 這個想法是我們所知道的三種中微子實際上有質量，而不是 傾斜，並且如果它們有足夠的能量，它們可以混合（振盪）以改變口味。 如果中微子以電子方式發射，它可能會在途中發生變化 介子 i 塔翁斯但這只有當它有質量時才有可能。 科學家擔心中微子的右旋和左旋問題。 因為如果你無法區分它，你就無法區分它是粒子還是反粒子。

中微子可以是它自己的反粒子嗎？ 不是按照正常的標準模型。 費米子在一般情況下，它們不應該是自己的反粒子。 費米子是任何旋轉 ± XNUMX/XNUMX 的粒子。 此類別包括所有夸克和輕子，包括中微子。 然而，有一種特殊類型的費米子迄今為止只存在於理論上——馬約拉納費米子，它是它自己的反粒子。 如果它存在的話，可能會發生一些特別的事情... 無中微子 雙貝塔衰變。 對於長期尋找這種差距的實驗者來說，這是一個機會。

在所有涉及中微子的觀察到的過程中，這些粒子表現出物理學家稱為左手性的特性。 作為標準模型最自然的延伸的右手中微子卻無處可見。 所有其他 MS 粒子都有右旋粒子，但中微子沒有。 為什麼？ 包括位於克拉科夫的波蘭科學院核子物理研究所（IFJ PAN）在內的國際物理學家團隊針對此問題進行了最新、極為全面的分析。 科學家認為，未能觀測到右旋中微子可以證明它們是馬約拉納費米子。 如果有的話，右邊的版本非常巨大，這可以解釋偵測的難度。

然而我們仍然不知道中微子本身是否是反粒子。 我們不知道它們的質量是透過希格斯玻色子的非常弱的耦合獲得的，還是透過其他機制獲得的。 我們不知道，也許中微子區域比我們想像的要複雜得多，惰性或重中微子潛伏在黑暗中。

原子和其他異常現象

在粒子物理學中，除了流行的中微子之外，還有其他鮮為人知的研究領域可以讓「新物理學」大放異彩。 例如，科學家最近提出了一種新型亞原子粒子來解釋神秘的現象 介子衰變 (5) 介子粒子的特例，由 一夸克 i 一名古董商。 當高介子粒子衰變時，其中一小部分會發生令科學家驚訝的變化。 這種衰變的方式可能表明有一種新型粒子或一種新的物理力在起作用。 這超出了標準模型。

還有更多的實驗來尋找標準模型中的漏洞。 其中包括尋找 g-2 μ 子。 大約一個世紀前，物理學家保羅狄拉克用 g 預測了電子的磁矩，g 是一個決定粒子自旋特性的數字。 隨後測量顯示「g」與2略有不同，物理學家開始利用「g」實際值與2之間的差異來研究亞原子粒子的內部結構和一般物理定律。 1959 年，瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心(CERN) 進行了第一個實驗，測量一種稱為μ 子的亞原子粒子的g-2 值，這種粒子與電子相關，但不穩定，質量是基本粒子的207 倍。

紐約布魯克海文國家實驗室開始了自己的實驗，並於 2 年公佈了 g-2004 實驗的結果。 測量結果與標準模型的預測不同。 然而，實驗並沒有收集足夠的數據進行統計分析，無法最終證明測量值確實不同，而不僅僅是統計波動。 其他研究中心現在正在對 g-2 進行新的實驗，我們可能很快就會得知結果。

還有比這更有趣的事 考諾沃異常 i 介子。 2015年，一項關於鈹8Be衰變的實驗顯示出異常現象。 匈牙利的科學家正在使用他們的探測器。 然而，順便說一句，他們發現，或認為他們已經發現，這表明存在第五種基本自然力量。

加州大學的物理學家對這項研究產生了興趣。 他們認為這種現象稱為 原子異常，是由一種全新的粒子引起的，該粒子被認為攜帶著第五種自然力。 它被稱為 X17，因為它的相應質量被認為接近 17 萬電子伏特。 這是電子質量的 30 倍，但小於質子質量。 X17 與質子的行為方式是其最奇怪的特徵之一——也就是說，它根本不與質子相互作用。 相反，它與根本不帶電荷的帶負電的電子或中子相互作用。 這使得 X17 粒子很難適合我們目前的標準模型。 玻色子與力有關。 膠子與強力有關，玻色子與弱力有關，光子與電磁有關。 甚至還有一種假想的引力玻色子，稱為引力子。 作為一種玻色子，X17 將具有自己的力量，就像迄今為止對我們來說一直是個謎並且可能存在的力量一樣。

宇宙及其首選方向？

今年13 月，雪梨新南威爾斯大學的科學家在《科學進展》雜誌上發表了一篇論文，報告稱，對XNUMX 億光年外的類星體發出的光進行的新測量證實了先前的研究，即發現常數存在微小變化。宇宙的微妙結構。 約翰‧韋伯教授 來自新南威爾斯大學的 (6) 解釋說，精細結構常數「是物理學家用來衡量電磁力的一個量」。 電磁力 維持宇宙中每個原子的原子核周圍的電子。 沒有它，所有物質都會崩潰。 直到最近，它被認為是時間和空間上的恆定力。 但韋伯教授在過去二十年的研究中註意到固體精細結構的一種異常，即在宇宙中某個選定方向上測量的電磁力總是顯得略有不同。

」韋伯解釋道。 這些差異並非來自澳洲團隊的測量結果，而是來自他們的結果與其他科學家對類星體光的許多其他測量結果的比較。

「」韋伯教授說。 「」。 在他看來，結果似乎顯示宇宙中可能存在一個首選方向。 換句話說，宇宙在某種意義上將具有偶極結構。

」 科學家談到了注意到的異常現象。

這是另一回事：宇宙突然有了一個北方和南方的對應物，而不是人們認為的星系、類星體、氣體雲和有生命的行星的隨機分佈。 韋伯教授仍願意承認，科學家在不同階段、使用不同技術、在地球不同地點所得出的測量結果，其實是個巨大的巧合。

韋伯指出，如果宇宙存在方向性，如果電磁學在宇宙的某些區域略有不同，那麼現代物理學的最基本概念將需要重新考慮。 “”，說話了。 該模型基於愛因斯坦的引力理論，該理論明確假設自然定律是恆定的。 如果不是，那麼……顛覆整個物理學大廈的想法是令人驚嘆的。