新しい物理学が多くの場所から輝いています
物理学の標準模型（1）または一般相対性理論（宇宙のXNUMXつの最良の（互換性はないが）理論）に加えたい変更は、すでに非常に限られています。 言い換えれば、全体を損なうことなく、多くを変えることはできません。
実は、私たちが知っているモデルでは説明できない結果や現象もあります。 それでは、既存の理論と一致するコストですべてを説明できない、または一貫性のないものにするために道を踏み外す必要がありますか、それとも新しい理論を探す必要がありますか？ これは現代物理学の基本的な質問のXNUMXつです。
素粒子物理学の標準模型は、これまでに観察された粒子間のすべての既知および発見された相互作用をうまく説明しました。 宇宙はで構成されています クォーク, レプトン 自然界のXNUMXつの基本的な力のうちXNUMXつを伝達し、粒子に静止質量を与えるゲージボソン。 一般相対性理論もありますが、残念ながら、宇宙の時空、物質、エネルギーの関係を説明する重力の量子論ではありません。
これらのXNUMXつの理論を超えることの難しさは、新しい要素、概念、および量を導入してそれらを変更しようとすると、すでに行っている測定および観察と矛盾する結果が得られることです。 また、現在の科学的枠組みを超えたい場合は、立証責任が非常に大きいことも覚えておく価値があります。 一方で、何十年にもわたって試され、テストされたモデルを弱体化させる誰かにそれほど期待しないのは難しいです。
そのような要求に直面して、物理学の既存のパラダイムに完全に挑戦しようとする人はほとんどいないことは驚くべきことではありません。 もしそうなら、それは簡単なチェックですぐにつまずくので、それはまったく真剣に受け止められません。 したがって、潜在的な穴が見つかった場合、これらは単なる反射体であり、どこかで何かが輝いていることを示していますが、そこに行く価値があるかどうかは明らかではありません。
既知の物理学は宇宙を扱うことができません
この「完全に新しくて異なる」のきらめきの例は? たとえば、反動率の観測は、宇宙が標準モデルの粒子だけで満たされ、一般相対性理論に従うという主張と矛盾しているように見えます。 個々の重力源、銀河、銀河団、さらには巨大な宇宙ウェブでさえ、この現象を説明するには不十分であることはわかっています。 標準モデルでは、物質と反物質は同じ量で生成および破壊されるべきであると述べていますが、私たちはほとんどが物質で構成され、少量の反物質が含まれる宇宙に住んでいることを知っています。 言い換えれば、「既知の物理学」では、宇宙で見られるすべてを説明できないことがわかります。
多くの実験は、より高いレベルでテストされた場合、革命的である可能性がある予期しない結果をもたらしました。 粒子の存在を示すいわゆる原子異常でさえ、実験誤差である可能性がありますが、標準模型を超える兆候である可能性もあります。 宇宙を測定するさまざまな方法は、その膨張率にさまざまな値を与えます-MTの最近の問題のXNUMXつで詳細に検討した問題です。
しかし、これらの異常のいずれも、新しい物理学の議論の余地のない兆候と見なされるほど十分に説得力のある結果をもたらしません。 これらのいずれかまたはすべては、単に統計的な変動または誤って校正された機器である可能性があります。 それらの多くは新しい物理学を指し示しているかもしれませんが、一般相対性理論と標準模型の文脈で既知の粒子と現象を使用して同じように簡単に説明することができます。
より明確な結果と推奨事項を期待して、実験を行う予定です。 ダークエネルギーが一定の値を持っているかどうかすぐにわかります。 ヴェラ・ルービン天文台による計画された銀河研究と、将来利用可能になる遠方の超新星に関するデータに基づいています。 ナンシーグレース望遠鏡、以前はWFIRSTでしたが、ダークエネルギーが時間とともに1％以内に進化するかどうかを調べる必要があります。 もしそうなら、私たちの「標準的な」宇宙論的モデルを変更する必要があります。 計画的には宇宙レーザー干渉計アンテナ（LISA）も驚きを与える可能性があります。 要するに、私たちは私たちが計画している観測車両と実験を頼りにしています。
また、素粒子物理学の分野でも取り組んでおり、電子とミューオンの磁気モーメントのより正確な測定など、モデル外の現象を見つけることを望んでいます。それらが一致しない場合は、新しい物理学が登場します。 私たちはそれらがどのように変動するかを理解するために取り組んでいます ニュートリノ – ここでも、新しい物理学が輝いています。 そして、円形または線形の正確な電子陽電子衝突型加速器 (2) を構築すれば、LHC がまだ検出できない標準モデルを超えたものを検出できます。 物理学の世界では、周囲が最大 100 km の LHC のより大きなバージョンが長い間提案されてきました。 これにより、衝突エネルギーが高くなり、多くの物理学者によると、最終的に新しい現象の合図になります。 しかし、これは非常に高価な投資であり、「それを構築して、何が表示されるかを見てみましょう」という原則のみに基づいて巨人を構築すると、多くの疑問が生じます。
2. リニアレプトンコライダー - 可視化
物理科学の問題へのアプローチにはXNUMXつのタイプがあります。 XNUMXつ目は複雑なアプローチです、特定の問題を解決するための実験または天文台の狭い設計で構成されています。 XNUMX番目のアプローチはブルートフォース方式と呼ばれます。私たちの以前のアプローチよりも完全に新しい方法で宇宙を探索するために、普遍的な境界を押す実験または天文台を開発する人。 XNUMXつ目は、標準モデルの方が適切です。 XNUMXつ目は、さらに何かの痕跡を見つけることを可能にしますが、残念ながら、これは正確に定義されていません。 したがって、どちらの方法にも欠点があります。
いわゆる万物の理論（TUT）を探してください。これは、物理学の聖杯であり、3番目のカテゴリに分類する必要があります。自然は最終的にXNUMXつの相互作用に結合します。
3.相互作用の仮想的な統一に必要なエネルギー
ニスフォーンニュートリノ
最近、科学はニュートリノ研究などのより興味深い分野にますます焦点を当てるようになり、最近MTで広範なレポートを発表しました。 2020年XNUMX月、アストロフィジカルジャーナルは、南極での起源不明の高エネルギーニュートリノの発見に関する出版物を発表しました。 よく知られている実験に加えて、センサー付きの気球の解放からなる、コード名ANITA（）で凍るような大陸の研究も行われました。 電波.
とANITAはどちらも、氷を構成する固体と衝突する高エネルギーニュートリノからの電波を探すように設計されています。 ハーバード大学天文学部のアビ・ローブ会長は、サロンのウェブサイトで次のように説明しています。「ANITAによって検出されたイベントは、天体物理学的ソースからのニュートリノとして説明できないため、確かに異常のように見えます。 （...）ニュートリノよりも弱い相互作用をするある種の粒子である可能性があります。 そのような粒子は暗黒物質として存在しているのではないかと思われます。 しかし、ANITAイベントがこれほどエネルギッシュな理由は何ですか？」
ニュートリノは、標準模型に違反する唯一の既知の粒子です。 素粒子の標準模型によれば、60種類のニュートリノ（電子、ミューオン、タウ）とXNUMX種類の反ニュートリノが必要であり、それらが形成された後は、安定していて特性が変化しない必要があります。 XNUMX年代以降、太陽が生成するニュートリノの最初の計算と測定が登場したとき、私たちは問題があることに気づきました。 で形成された電子ニュートリノの数を知っていました 太陽核。 しかし、到着した数を測定したところ、予測された数のXNUMX分のXNUMXしか見られませんでした。
検出器に問題があるか、太陽のモデルに問題があるか、ニュートリノ自体に問題があります。 原子炉の実験は、私たちの検出器に何か問題があるという考えをすぐに反証しました（4）。 彼らは期待通りに働き、彼らのパフォーマンスは非常に高く評価されました。 私たちが検出したニュートリノは、到着したニュートリノの数に比例して記録されました。 何十年もの間、多くの天文学者は私たちの太陽モデルが間違っていると主張してきました。
4.スーパーカミオカンデ検出器からのチェレンコフ放射におけるニュートリノイベントの画像
もちろん、もし真実なら、標準模型が予測したものから宇宙の私たちの理解を変えるであろう別のエキゾチックな可能性がありました。 私たちが知っているXNUMX種類のニュートリノは実際には質量を持っているのではなく、 リーン、そして十分なエネルギーがあれば、それらは混合（変動）してフレーバーを変えることができます。 ニュートリノが電子的にトリガーされる場合、ニュートリノは途中で変化する可能性があります ミューオン i タオノフしかし、これは質量がある場合にのみ可能です。 科学者たちは、右利きと左利きのニュートリノの問題を懸念しています。 なぜなら、それを区別できない場合、それが粒子であるか反粒子であるかを区別することはできません。
ニュートリノはそれ自身の反粒子になることができますか？ 通常の標準モデルではありません。 フェルミ粒子一般に、それらはそれら自身の反粒子であってはなりません。 フェルミ粒子は、回転が±XNUMX/XNUMXの粒子です。 このカテゴリーには、ニュートリノを含むすべてのクォークとレプトンが含まれます。 しかし、これまでのところ理論上のみ存在する特殊なタイプのフェルミ粒子があります。それは、それ自体の反粒子であるマヨラナフェルミ粒子です。 それが存在した場合、何か特別なことが起こっている可能性があります... ニュートリノフリー 二重ベータ崩壊。 そして、ここにそのようなギャップを長い間探していた実験者のためのチャンスがあります。
ニュートリノが関与するすべての観測されたプロセスにおいて、これらの粒子は、物理学者が左利きと呼ぶ特性を示します。 標準模型の最も自然な拡張である右巻きニュートリノはどこにも見られません。 他のすべてのMS粒子には右巻きバージョンがありますが、ニュートリノにはありません。 なんで？ クラクフにあるポーランド科学アカデミーの核物理学研究所（IFJ PAN）を含む物理学者の国際チームによる最新の非常に包括的な分析が、この問題に関する研究を行っています。 科学者たちは、右巻きニュートリノの観測の欠如は、それらがマヨラナフェルミ粒子であることを証明できると信じています。 もしそうなら、それらの右側のバージョンは非常に巨大であり、それは検出の難しさを説明しています。
それでも、ニュートリノ自体が反粒子であるかどうかはまだわかりません。 彼らがヒッグス粒子の非常に弱い結合から質量を得るのか、それとも他のメカニズムを介してそれを得るのかはわかりません。 そして、私たちにはわかりません。おそらく、ニュートリノセクターは私たちが思っているよりもはるかに複雑で、暗闇の中には無菌または重いニュートリノが潜んでいます。
原子およびその他の異常
素粒子物理学では、ファッショナブルなニュートリノの他に、「新しい物理学」が光り輝くことができる、あまり知られていない他の研究分野があります。 たとえば、科学者たちは最近、謎めいたものを説明するために新しいタイプの亜原子粒子を提案しました としての崩壊 （5）、からなる中間子粒子の特殊なケース XNUMXクォーク i XNUMXつのアンティークディーラー。 K中間子の粒子が崩壊すると、それらのごく一部が変化し、科学者を驚かせます。 この崩壊のスタイルは、新しいタイプの粒子または新しい物理的な力が働いていることを示している可能性があります。 これは標準モデルの範囲外です。
標準模型のギャップを見つけるための実験は他にもあります。 これらには、g-2ミューオンの検索が含まれます。 ほぼ2年前、物理学者のPaul Diracは、粒子のスピン特性を決定する数値であるgを使用して電子の磁気モーメントを予測しました。 その後、測定により「g」は2とわずかに異なることが示され、物理学者は「g」と1959の実際の値の差を使用して、素粒子の内部構造と一般的な物理法則を研究し始めました。 2年、スイスのジュネーブにあるCERNは、ミューオンと呼ばれる素粒子よりも不安定で207倍重い電子に結合した素粒子のg-XNUMX値を測定する最初の実験を行いました。
ニューヨークのブルックヘブン国立研究所は独自の実験を開始し、2年に彼らのg-2004実験の結果を発表しました。 測定は、標準モデルが予測したものではありませんでした。 ただし、この実験では、統計分析に十分なデータが収集されなかったため、統計的な変動だけでなく、測定値が実際に異なっていることを最終的に証明できませんでした。 他の研究センターは現在g-2で新しい実験を行っており、おそらくすぐに結果がわかるでしょう。
これよりも面白いものがあります K中間子の異常 i ミューオン。 2015年、ベリリウム8Beの崩壊に関する実験で異常が示されました。 ハンガリーの科学者は彼らの検出器を使用しています。 しかし、偶然にも、彼らは発見したか、発見したと思っていました。これは、自然の第XNUMXの基本的な力の存在を示唆しています。
カリフォルニア大学の物理学者がこの研究に興味を持つようになりました。 彼らは、 原子異常は、自然の第17の力を運ぶと考えられていた完全に新しい粒子によって引き起こされました。 対応する質量が約17万電子ボルトであると考えられているため、X30と呼ばれます。 これは電子の質量の17倍ですが、陽子の質量よりも小さくなっています。 そして、X17が陽子で動作する方法は、その最も奇妙な機能のXNUMXつです。つまり、陽子とはまったく相互作用しません。 代わりに、それはまったく電荷を持たない負に帯電した電子または中性子と相互作用します。 これにより、パーティクルXXNUMXを現在の標準モデルに適合させることが困難になります。 ボソンは力と関連しています。 グルーオンは強い力に、ボソンは弱い力に、光子は電磁気に関連しています。 重力子と呼ばれる重力の仮想ボソンさえあります。 ボソンとして、X17は、これまで私たちにとって謎のままであり、あり得るような、それ自体の力を運ぶでしょう。
宇宙とその好ましい方向？
今年13月にScienceAdvances誌に発表された論文で、シドニーのニューサウスウェールズ大学の科学者は、XNUMX億光年離れたクエーサーから放出された光の新しい測定値が、微細な定数構造に小さな変動があることを発見した以前の研究を確認したと報告しました。宇宙の。 ジョン・ウェッブ教授 UNSW（6）によると、微細構造定数は「物理学者が電磁力の尺度として使用する量である」と説明されています。 電磁力 宇宙のすべての原子の原子核の周りに電子を維持します。 それがなければ、すべての問題は崩壊するでしょう。 最近まで、それは時間と空間において一定の力であると考えられていました。 しかし、過去XNUMX年間の彼の研究で、ウェッブ教授は、宇宙のXNUMXつの選択された方向で測定された電磁力が常にわずかに異なるように見える、固体の微細構造の異常に気づきました。
「」はWebbを説明します。 矛盾はオーストラリアのチームの測定ではなく、他の科学者によるクエーサー光の他の多くの測定とそれらの結果を比較する際に現れました。
「」とウェッブ教授は言います。 ""。 彼の意見では、結果は宇宙に好ましい方向があるかもしれないことを示唆しているようです。 言い換えれば、宇宙はある意味で双極子構造を持っているでしょう。
""マークされた異常について科学者は言います。
これはもう一つのことです：銀河、クエーサー、ガス雲、そして生命のある惑星のランダムな広がりであると考えられていたものの代わりに、宇宙は突然北と南の対応物を持っています。 それにもかかわらず、ウェッブ教授は、さまざまな技術を使用してさまざまな段階で、地球上のさまざまな場所から行われた科学者による測定結果が実際には大きな偶然であることを認める準備ができています。
Webb は、宇宙に方向性があり、電磁気学が宇宙の特定の領域でわずかに異なることが判明した場合、現代物理学の多くの背後にある最も基本的な概念を再検討する必要があると指摘しています。 ""、話す。 このモデルは、自然法則の恒常性を明示的に仮定するアインシュタインの重力理論に基づいています。 そうでない場合は... 物理学の全構造を変えるという考えは息をのむようなものです.
