An vielen Stellen scheint die neue Physik durch

Alle möglichen Änderungen, die wir am Standardmodell der Physik (1) oder der Allgemeinen Relativitätstheorie, unseren beiden besten (wenn auch unvereinbaren) Theorien des Universums, vornehmen möchten, sind bereits sehr begrenzt. Mit anderen Worten, Sie können nicht viel ändern, ohne das Ganze zu untergraben.

Fakt ist, dass es auch Ergebnisse und Phänomene gibt, die sich anhand der uns bekannten Modelle nicht erklären lassen. Sollten wir uns also Mühe geben, alles Unerklärliche oder Widersprüchliche um jeden Preis mit bestehenden Theorien in Einklang zu bringen, oder sollten wir nach neuen suchen? Dies ist eine der grundlegenden Fragen der modernen Physik.

Das Standardmodell der Teilchenphysik hat erfolgreich alle bekannten und entdeckten Wechselwirkungen zwischen Teilchen erklärt, die jemals beobachtet wurden. Das Universum besteht aus Quarks, Leptonov und Eichbosonen, die drei der vier Grundkräfte der Natur übertragen und Teilchen ihre Ruhemasse verleihen. Es gibt auch die Allgemeine Relativitätstheorie, unsere leider keine Quantentheorie der Gravitation, die den Zusammenhang zwischen Raumzeit, Materie und Energie im Universum beschreibt.

Die Schwierigkeit, über diese beiden Theorien hinauszugehen, besteht darin, dass Sie, wenn Sie versuchen, sie zu ändern, indem Sie neue Elemente, Konzepte und Größen einführen, Ergebnisse erhalten, die den Messungen und Beobachtungen widersprechen, die wir bereits haben. Denken Sie auch daran, dass die Beweislast enorm ist, wenn Sie über unseren derzeitigen wissenschaftlichen Rahmen hinausgehen wollen. Andererseits ist es schwer, nicht so viel von jemandem zu erwarten, der jahrzehntelang bewährte Modelle untergräbt.

Angesichts solcher Anforderungen ist es nicht verwunderlich, dass kaum jemand versucht, das bestehende Paradigma in der Physik vollständig in Frage zu stellen. Und wenn doch, wird es überhaupt nicht ernst genommen, da es schnell über einfache Kontrollen stolpert. Wenn wir also potenzielle Löcher sehen, dann sind das nur Reflektoren, die signalisieren, dass irgendwo etwas scheint, aber es ist nicht klar, ob es sich überhaupt lohnt, dorthin zu gehen.

Die bekannte Physik kommt mit dem Universum nicht zurecht

Beispiele für den Schimmer dieses „ganz neu und anders“? Nun, zum Beispiel Beobachtungen der Rückstoßrate, die mit der Aussage unvereinbar erscheinen, dass das Universum nur mit Teilchen des Standardmodells gefüllt ist und der allgemeinen Relativitätstheorie gehorcht. Wir wissen, dass einzelne Gravitationsquellen, Galaxien, Galaxienhaufen und sogar das große kosmische Netz vielleicht nicht ausreichen, um dieses Phänomen zu erklären. Wir wissen, dass, obwohl das Standardmodell besagt, dass Materie und Antimaterie in gleichen Mengen erzeugt und zerstört werden sollten, wir in einem Universum leben, das hauptsächlich aus Materie mit einer kleinen Menge Antimaterie besteht. Mit anderen Worten, wir sehen, dass „bekannte Physik“ nicht alles erklären kann, was wir im Universum sehen.

Viele Experimente haben unerwartete Ergebnisse geliefert, die, wenn sie auf einer höheren Ebene getestet werden, revolutionär sein könnten. Auch die sogenannte atomare Anomalie, die auf die Existenz von Teilchen hinweist, kann ein experimenteller Fehler sein, aber auch ein Zeichen dafür, dass das Standardmodell überschritten wird. Verschiedene Methoden zur Vermessung des Universums geben unterschiedliche Werte für die Geschwindigkeit seiner Expansion - ein Problem, das wir in einer der letzten Ausgaben von MT ausführlich behandelt haben.

Keine dieser Anomalien liefert jedoch ausreichend überzeugende Ergebnisse, um als unbestreitbares Zeichen für neue Physik angesehen zu werden. Einige oder alle davon können einfach statistische Schwankungen oder ein falsch kalibriertes Instrument sein. Viele von ihnen mögen auf neue Physik hinweisen, aber sie lassen sich genauso gut mit bekannten Teilchen und Phänomenen im Kontext der Allgemeinen Relativitätstheorie und des Standardmodells erklären.

Wir planen zu experimentieren und hoffen auf klarere Ergebnisse und Empfehlungen. Wir werden vielleicht bald sehen, ob dunkle Energie einen konstanten Wert hat. Basierend auf geplanten Galaxienstudien des Vera-Rubin-Observatoriums und Daten über entfernte Supernovae, die in Zukunft verfügbar sein werden. Nancy-Grace-Teleskop, zuvor WFIRST, müssen wir herausfinden, ob sich dunkle Energie mit der Zeit auf 1% genau entwickelt. Wenn dem so ist, dann muss unser "Standard"-kosmologisches Modell geändert werden. Es ist möglich, dass uns auch die Weltraum-Laser-Interferometer-Antenne (LISA) in Bezug auf den Plan überraschen wird. Kurz gesagt, wir zählen auf die Beobachtungsfahrzeuge und Experimente, die wir planen.

Wir arbeiten auch noch auf dem Gebiet der Teilchenphysik und hoffen, Phänomene außerhalb des Modells zu finden, wie zum Beispiel eine genauere Messung der magnetischen Momente von Elektron und Myon – wenn sie nicht übereinstimmen, erscheint neue Physik. Wir arbeiten daran, herauszufinden, wie sie schwanken Neutrino – auch hier schimmert neue Physik durch. Und wenn wir einen genauen Elektron-Positron-Collider bauen, kreisförmig oder linear (2), können wir Dinge jenseits des Standardmodells erkennen, die der LHC noch nicht erkennen kann. In der Welt der Physik wird seit langem eine größere Version des LHC mit einem Umfang von bis zu 100 km vorgeschlagen. Dies würde zu höheren Kollisionsenergien führen, was nach Ansicht vieler Physiker schließlich neue Phänomene signalisieren würde. Dies ist jedoch eine äußerst teure Investition, und der Bau eines Giganten nur nach dem Prinzip „Bauen wir ihn und sehen, was er uns zeigt“ lässt viele Zweifel aufkommen.

2. Linearer Lepton-Collider – Visualisierung

Es gibt zwei Arten von Herangehensweisen an Probleme in der Physik. Der erste ist ein komplexer Ansatz, die in der engen Gestaltung eines Experiments oder Observatoriums zur Lösung eines bestimmten Problems besteht. Der zweite Ansatz wird als Brute-Force-Methode bezeichnet.der ein universelles, grenzüberschreitendes Experiment oder Observatorium entwickelt, um das Universum auf eine völlig neue Art und Weise zu erforschen als unsere bisherigen Ansätze. Ersteres orientiert sich besser am Standardmodell. Das zweite ermöglicht es Ihnen, Spuren von etwas mehr zu finden, aber leider ist dieses Etwas nicht genau definiert. Somit haben beide Verfahren ihre Nachteile.

Suchen Sie nach der sogenannten Theory of Everything (TUT), dem heiligen Gral der Physik, der in die zweite Kategorie einzuordnen ist, da es meistens darauf ankommt, immer höhere Energien (3) zu finden, bei denen die Kräfte von Natur verbinden sich schließlich zu einer Interaktion.

3. Energien, die für eine hypothetische Vereinheitlichung von Wechselwirkungen benötigt werden

Nisforn-Neutrino

In letzter Zeit konzentriert sich die Wissenschaft immer mehr auf interessantere Bereiche wie die Neutrinoforschung, über die wir kürzlich einen ausführlichen Bericht in MT veröffentlicht haben. Im Februar 2020 veröffentlichte das Astrophysical Journal eine Veröffentlichung über die Entdeckung hochenergetischer Neutrinos unbekannter Herkunft in der Antarktis. Neben dem bekannten Experiment wurde auf dem frostigen Kontinent auch unter dem Codenamen ANITA () geforscht, bestehend aus dem Auslösen eines Ballons mit einem Sensor Radiowellen.

Beide und ANITA wurden entwickelt, um nach Radiowellen von hochenergetischen Neutrinos zu suchen, die mit der festen Materie kollidieren, aus der Eis besteht. Avi Loeb, Vorsitzender des Harvard Department of Astronomy, erklärte auf der Salon-Website: „Die von ANITA entdeckten Ereignisse scheinen sicherlich eine Anomalie zu sein, weil sie nicht als Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen erklärt werden können. (...) Es könnte eine Art Teilchen sein, das schwächer als ein Neutrino mit gewöhnlicher Materie wechselwirkt. Wir vermuten, dass solche Teilchen als Dunkle Materie existieren. Aber was macht ANITA Events so energiegeladen?“

Neutrinos sind die einzigen bekannten Teilchen, die das Standardmodell verletzen. Nach dem Standardmodell der Elementarteilchen müssen wir drei Arten von Neutrinos (elektronisch, Myon und Tau) und drei Arten von Antineutrinos haben, und nach ihrer Bildung müssen sie stabil und in ihren Eigenschaften unverändert sein. Seit den 60er Jahren, als die ersten Berechnungen und Messungen der von der Sonne produzierten Neutrinos auftauchten, erkannten wir, dass es ein Problem gab. Wir wussten, wie viele Elektron-Neutrinos in gebildet wurden Solarkern. Aber als wir maßen, wie viele ankamen, sahen wir nur ein Drittel der vorhergesagten Zahl.

Entweder stimmt etwas mit unseren Detektoren nicht, oder etwas stimmt nicht mit unserem Sonnenmodell, oder etwas stimmt nicht mit den Neutrinos selbst. Reaktorexperimente widerlegten schnell die Vorstellung, dass mit unseren Detektoren etwas nicht stimmte (4). Sie funktionierten wie erwartet und ihre Leistung wurde sehr gut bewertet. Die von uns nachgewiesenen Neutrinos wurden proportional zur Anzahl der ankommenden Neutrinos registriert. Jahrzehntelang haben viele Astronomen argumentiert, dass unser Sonnenmodell falsch ist.

4. Bilder von Neutrino-Ereignissen in Cherenkov-Strahlung vom Super Kamiokande-Detektor

Natürlich gab es noch eine weitere exotische Möglichkeit, die unser Verständnis des Universums gegenüber dem, was das Standardmodell vorhersagte, ändern würde, wenn es wahr wäre. Die Idee ist, dass die drei Arten von Neutrinos, die wir kennen, tatsächlich eine Masse haben, nicht mager, und dass sie sich mischen (schwanken) können, um den Geschmack zu ändern, wenn sie genug Energie haben. Wird das Neutrino elektronisch getriggert, kann es sich unterwegs zu verändern Myon i taonovaber das ist nur möglich, wenn es Masse hat. Wissenschaftler sind besorgt über das Problem der rechts- und linkshändigen Neutrinos. Denn wenn man es nicht unterscheiden kann, kann man nicht unterscheiden, ob es ein Teilchen oder ein Antiteilchen ist.

Kann ein Neutrino sein eigenes Antiteilchen sein? Nicht nach dem üblichen Standardmodell. Fermionenim Allgemeinen sollten sie nicht ihre eigenen Antiteilchen sein. Ein Fermion ist ein beliebiges Teilchen mit einer Rotation von ± ½. Diese Kategorie umfasst alle Quarks und Leptonen, einschließlich Neutrinos. Allerdings gibt es eine besondere Art von Fermionen, die bisher nur in der Theorie existiert – das Majorana-Fermion, das sein eigenes Antiteilchen ist. Wenn es existierte, könnte etwas Besonderes passieren ... neutrinofrei doppelter Beta-Zerfall. Und hier ist eine Chance für Experimentatoren, die lange nach einer solchen Lücke gesucht haben.

Bei allen beobachteten Prozessen, an denen Neutrinos beteiligt sind, weisen diese Teilchen eine Eigenschaft auf, die Physiker als Linkshändigkeit bezeichnen. Rechtshändige Neutrinos, die natürlichste Erweiterung des Standardmodells, sind nirgendwo zu sehen. Alle anderen MS-Teilchen haben eine rechtshändige Version, Neutrinos jedoch nicht. Wieso den? Die neueste, äußerst umfassende Analyse eines internationalen Physikerteams, darunter das Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN) in Krakau, hat zu dieser Frage geforscht. Wissenschaftler glauben, dass die fehlende Beobachtung von rechtshändigen Neutrinos beweisen könnte, dass es sich um Majorana-Fermionen handelt. Wenn ja, dann ist ihre rechtsseitige Version extrem massiv, was die Schwierigkeit der Erkennung erklärt.

Dennoch wissen wir immer noch nicht, ob Neutrinos selbst Antiteilchen sind. Wir wissen nicht, ob sie ihre Masse durch die sehr schwache Bindung des Higgs-Bosons oder durch einen anderen Mechanismus erhalten. Und wir wissen nicht, vielleicht ist der Neutrinosektor viel komplexer als wir denken, mit sterilen oder schweren Neutrinos, die im Dunkeln lauern.

Atome und andere Anomalien

In der Elementarteilchenphysik gibt es neben den modischen Neutrinos weitere, weniger bekannte Forschungsgebiete, aus denen die „Neue Physik“ hervorblitzen kann. Wissenschaftler haben beispielsweise kürzlich eine neue Art von subatomaren Teilchen vorgeschlagen, um das Rätselhafte zu erklären Zerfall als (5), ein Spezialfall eines Mesonteilchens bestehend aus ein Quark i ein Antiquitätenhändler. Wenn Kaon-Partikel zerfallen, erfährt ein kleiner Teil von ihnen Veränderungen, die Wissenschaftler überraschten. Die Art dieses Zerfalls kann auf einen neuen Partikeltyp oder eine neue physikalische Kraft am Werk hinweisen. Dies liegt außerhalb des Geltungsbereichs des Standardmodells.

Es gibt weitere Experimente, um Lücken im Standardmodell zu finden. Dazu gehört die Suche nach dem Myon g-2. Vor fast hundert Jahren sagte der Physiker Paul Dirac das magnetische Moment eines Elektrons mit g voraus, einer Zahl, die die Spineigenschaften eines Teilchens bestimmt. Dann zeigten Messungen, dass sich "g" geringfügig von 2 unterscheidet, und Physiker begannen, die Differenz zwischen dem tatsächlichen Wert von "g" und 2 zu verwenden, um die innere Struktur subatomarer Teilchen und die Gesetze der Physik im Allgemeinen zu untersuchen. 1959 führte das CERN in Genf, Schweiz, das erste Experiment durch, bei dem der g-2-Wert eines subatomaren Teilchens namens Myon gemessen wurde, das an ein Elektron gebunden, aber instabil und 207-mal schwerer als ein Elementarteilchen ist.

Das Brookhaven National Laboratory in New York startete ein eigenes Experiment und veröffentlichte 2 die Ergebnisse ihres g-2004-Experiments. Die Messung entsprach nicht der Vorhersage des Standardmodells. Das Experiment sammelte jedoch nicht genügend Daten für eine statistische Analyse, um endgültig zu beweisen, dass der gemessene Wert tatsächlich anders war und nicht nur eine statistische Schwankung. Andere Forschungszentren führen jetzt neue Experimente mit g-2 durch, und wir werden wahrscheinlich bald die Ergebnisse erfahren.

Es gibt etwas Faszinierenderes als das Kaon-Anomalien i Myon. 2015 zeigte ein Experiment zum Zerfall von Beryllium 8Be eine Anomalie. Wissenschaftler in Ungarn verwenden ihren Detektor. Ganz nebenbei entdeckten sie jedoch oder glaubten entdeckt zu haben, was auf die Existenz einer fünften fundamentalen Naturkraft hindeutet.

Physiker der University of California interessierten sich für die Studie. Sie schlugen vor, dass das Phänomen anrief atomare Anomalie, wurde durch ein völlig neues Teilchen verursacht, das die fünfte Naturkraft tragen sollte. Es wird X17 genannt, weil seine entsprechende Masse auf fast 17 Millionen Elektronenvolt geschätzt wird. Das ist die 30-fache Masse eines Elektrons, aber weniger als die Masse eines Protons. Und die Art und Weise, wie sich X17 mit einem Proton verhält, ist eine seiner seltsamsten Eigenschaften – das heißt, es interagiert überhaupt nicht mit einem Proton. Stattdessen interagiert es mit einem negativ geladenen Elektron oder Neutron, das überhaupt keine Ladung hat. Dies macht es schwierig, das X17-Partikel in unser aktuelles Standardmodell einzupassen. Bosonen sind Kräften zugeordnet. Gluonen werden der starken Kraft zugeordnet, Bosonen der schwachen Kraft und Photonen dem Elektromagnetismus. Es gibt sogar ein hypothetisches Boson für die Schwerkraft, das Graviton genannt wird. Als Boson wird X17 eine eigene Kraft tragen, wie sie uns bisher ein Rätsel war und sein könnte.

Das Universum und seine Vorzugsrichtung?

In einem Artikel, der diesen April in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, berichteten Wissenschaftler der University of New South Wales in Sydney, dass neue Messungen des Lichts, das von einem 13 Milliarden Lichtjahre entfernten Quasar emittiert wird, frühere Studien bestätigen, die kleine Variationen in der feinen konstanten Struktur fanden des Universums. Professor John Webb von UNSW (6) erklärt, dass die Feinstrukturkonstante "eine Größe ist, die Physiker als Maß für die elektromagnetische Kraft verwenden". elektromagnetische Kraft hält Elektronen um die Kerne in jedem Atom im Universum. Ohne sie würde alle Materie auseinanderfallen. Bis vor kurzem galt es als konstante Kraft in Zeit und Raum. Aber bei seiner Forschung in den letzten zwei Jahrzehnten hat Professor Webb eine Anomalie in der soliden Feinstruktur festgestellt, bei der die elektromagnetische Kraft, gemessen in einer bestimmten Richtung im Universum, immer etwas anders zu sein scheint.

"", erklärt Webb. Die Ungereimtheiten zeigten sich nicht in den Messungen des australischen Teams, sondern beim Vergleich ihrer Ergebnisse mit vielen anderen Messungen des Quasarlichts anderer Wissenschaftler.

"", sagt Professor Webb. "". Seiner Meinung nach scheinen die Ergebnisse darauf hinzudeuten, dass es eine Vorzugsrichtung im Universum geben könnte. Mit anderen Worten, das Universum hätte in gewissem Sinne eine Dipolstruktur.

„“, sagt der Wissenschaftler über die markanten Anomalien.

Dazu kommt noch etwas: Statt einer vermeintlich zufälligen Ansammlung von Galaxien, Quasaren, Gaswolken und belebten Planeten hat das Universum plötzlich ein nördliches und ein südliches Gegenstück. Professor Webb ist jedoch bereit zuzugeben, dass die Ergebnisse von Messungen, die von Wissenschaftlern zu verschiedenen Zeitpunkten mit unterschiedlichen Technologien und von verschiedenen Orten der Erde durchgeführt wurden, in Wirklichkeit ein großer Zufall sind.

Webb weist darauf hin, dass die grundlegendsten Konzepte hinter einem Großteil der modernen Physik überarbeitet werden müssen, wenn es im Universum eine Richtung gibt und sich herausstellt, dass der Elektromagnetismus in bestimmten Regionen des Kosmos etwas anders ist. "", spricht. Das Modell basiert auf Einsteins Gravitationstheorie, die ausdrücklich von der Konstanz der Naturgesetze ausgeht. Und wenn nicht, dann ... der Gedanke, das ganze Gebäude der Physik zu drehen, ist atemberaubend.