새로운 물리학은 여러 곳에서 빛난다

물리학의 표준 모델(1) 또는 일반 상대성 이론에 대한 가능한 변경 사항은 우주에 대한 우리의 두 가지 최고의(비호환적이지만) 이론은 이미 매우 제한적입니다. 다시 말해 전체를 훼손하지 않고는 많은 것을 바꿀 수 없습니다.

사실 우리가 알고 있는 모델로는 설명할 수 없는 결과와 현상도 존재한다. 그래서 우리는 모든 것을 설명할 수 없거나 기존 이론과 일관되지 않게 만들기 위해 노력해야 합니까, 아니면 새로운 이론을 찾아야 합니까? 이것은 현대 물리학의 근본적인 질문 중 하나입니다.

입자 물리학의 표준 모델은 지금까지 관찰된 입자 사이의 알려진 모든 상호 작용을 성공적으로 설명했습니다. 우주는 쿼크, 렙토노프 자연의 XNUMX가지 기본 힘 중 XNUMX가지를 전달하고 입자에 나머지 질량을 부여하는 측정 보존. 또한 일반 상대성 이론이 있습니다. 불행히도 우주의 시공, 물질 및 에너지 사이의 관계를 설명하는 양자 중력 이론이 아닙니다.

이 두 가지 이론을 넘어서는 데 있어 어려움은 새로운 요소, 개념 및 양을 도입하여 그것들을 바꾸려고 하면 우리가 이미 가지고 있는 측정 및 관찰과 모순되는 결과를 얻게 된다는 것입니다. 현재의 과학적 틀을 넘어서고 싶다면 증명의 부담이 막대하다는 것을 기억할 가치가 있습니다. 반면에 수십 년 동안 시도하고 테스트한 모델을 훼손하는 사람에게 그렇게 많은 것을 기대하지 않기는 어렵습니다.

이러한 요구에도 불구하고 물리학의 기존 패러다임에 완전히 도전하려는 사람은 거의 없다는 것이 놀라운 일이 아닙니다. 그리고 만약 그렇다면, 그것은 간단한 검사에서 빠르게 비틀거리기 때문에 전혀 심각하게 받아들여지지 않습니다. 따라서 잠재적인 구멍이 보이면 이는 반사판일 뿐이며 어딘가에서 빛나고 있다는 신호이지만 거기에 갈 가치가 있는지 여부는 분명하지 않습니다.

알려진 물리학은 우주를 다룰 수 없다

이 "완전히 새롭고 다른" 반짝임의 예는 무엇입니까? 예를 들어, 우주가 표준 모델의 입자로만 채워져 있고 일반 상대성 이론을 따른다는 진술과 일치하지 않는 반동 속도에 대한 관찰이 있습니다. 우리는 중력, 은하계, 은하단, 심지어 거대한 우주망의 개별적인 근원이 이 현상을 설명하기에 충분하지 않다는 것을 알고 있습니다. 표준 모형에서는 물질과 반물질이 같은 양으로 생성되고 파괴되어야 한다고 명시하지만 우리는 대부분 물질과 소량의 반물질로 구성된 우주에 살고 있다는 것을 알고 있습니다. 즉, "알려진 물리학"이 우리가 우주에서 보는 모든 것을 설명할 수 없다는 것을 알 수 있습니다.

많은 실험에서 더 높은 수준에서 테스트하면 혁명적일 수 있는 예상치 못한 결과가 나타났습니다. 입자의 존재를 나타내는 이른바 Atomic Anomaly도 실험적 오차일 수 있지만, 표준모형을 넘어선 신호일 수도 있다. 우주를 측정하는 다른 방법은 팽창 속도에 대해 다른 값을 제공합니다. 이 문제는 MT의 최근 문제 중 하나에서 자세히 고려한 문제입니다.

그러나 이러한 이상 현상 중 어느 것도 새로운 물리학의 명백한 징후로 간주될 만큼 충분히 설득력 있는 결과를 제공하지 않습니다. 이들 중 일부 또는 전부는 단순히 통계적 변동이거나 잘못 보정된 기기일 수 있습니다. 그들 중 많은 것들이 새로운 물리학을 가리킬 수 있지만 일반 상대성 이론과 표준 모델의 맥락에서 알려진 입자와 현상을 사용하여 쉽게 설명할 수 있습니다.

더 명확한 결과와 권장 사항을 기대하면서 실험할 계획입니다. 암흑 에너지가 일정한 가치를 가지고 있는지 곧 알게 될 것입니다. Vera Rubin Observatory의 계획된 은하 연구와 미래에 제공될 먼 초신성에 대한 데이터를 기반으로 합니다. 낸시 그레이스 망원경, 이전에는 WFIRST에서 암흑 에너지가 시간이 지남에 따라 1% 이내로 진화하는지 알아내야 합니다. 그렇다면 우리의 "표준" 우주론 모델이 변경되어야 합니다. 계획면에서 우주 레이저 간섭계 안테나(LISA)도 우리에게 놀라움을 줄 가능성이 있습니다. 요컨대, 우리는 우리가 계획하고 있는 관찰 차량과 실험에 의존하고 있습니다.

우리는 또한 전자와 뮤온의 자기 모멘트에 대한 보다 정확한 측정과 같은 모델 외부의 현상을 찾기를 희망하면서 입자 물리학 분야에서 여전히 일하고 있습니다. 일치하지 않으면 새로운 물리학이 나타납니다. 우리는 그들이 어떻게 변동하는지 알아내기 위해 노력하고 있습니다. 중성 미자 - 여기에서도 새로운 물리학이 빛을 발합니다. 그리고 우리가 정확한 전자-양전자 충돌체, 원형 또는 선형(2)을 만들면 LHC가 아직 감지할 수 없는 표준 모델을 넘어서는 것을 감지할 수 있습니다. 물리학의 세계에서는 둘레가 최대 100km인 LHC의 더 큰 버전이 오랫동안 제안되었습니다. 이것은 많은 물리학자들에 따르면 마침내 새로운 현상의 신호가 될 더 높은 충돌 에너지를 제공할 것입니다. 그러나 이것은 매우 비싼 투자이며 "그것을 만들고 그것이 우리에게 무엇을 보여줄지 보자"라는 원칙에 따라서만 거인을 건설하는 것은 많은 의구심을 불러일으킵니다.

2. 선형 경입자 가속기 - 시각화

물리학의 문제에 대한 접근 방식에는 두 가지 유형이 있습니다. 첫 번째는 복잡한 접근 방식입니다., 특정 문제를 해결하기 위한 실험이나 관측소의 좁은 설계로 구성됩니다. 두 번째 접근 방식은 무차별 대입 방법이라고 합니다.우리의 이전 접근 방식보다 완전히 새로운 방식으로 우주를 탐험하기 위해 보편적이고 경계를 허무는 실험이나 관측소를 개발하는 사람입니다. 첫 번째는 표준 모델에서 더 잘 지향됩니다. 두 번째를 사용하면 더 많은 것의 흔적을 찾을 수 있지만 불행히도 이것은 정확히 정의되지 않습니다. 따라서 두 방법 모두 단점이 있습니다.

물리학의 성배인 소위 만물 이론(TUT)을 찾으십시오. 왜냐하면 물리학의 성배가 두 번째 범주에 있어야 하는 이유는 더 자주 점점 더 높은 에너지를 찾는 것으로 귀결되기 때문입니다(3). 자연은 결국 하나의 상호 작용으로 결합됩니다.

3. 가상의 상호작용 통합에 필요한 에너지

중성미자 니스폰

최근에 과학은 중성미자 연구와 같은 보다 흥미로운 영역에 점점 더 집중하게 되었으며, 이에 대해 최근 MT에서 광범위한 보고서를 발표했습니다. 2020년 XNUMX월 천체물리학 저널(Astrophysical Journal)은 남극 대륙에서 기원을 알 수 없는 고에너지 중성미자의 발견에 대한 간행물을 발표했습니다. 잘 알려진 실험 외에도 센서가 달린 풍선의 방출로 구성된 코드명 ANITA()로 서리가 내린 대륙에 대한 연구가 수행되었습니다. 전파.

ANITA와 ANITA는 모두 얼음을 구성하는 고체 물질과 충돌하는 고에너지 중성미자의 전파를 검색하도록 설계되었습니다. 하버드 천문학과의 아비 로브(Avi Loeb) 회장은 살롱 웹사이트에서 다음과 같이 설명했습니다. (...) 일반 물질과 중성미자보다 약하게 상호 작용하는 일종의 입자일 수 있습니다. 우리는 그러한 입자가 암흑 물질로 존재한다고 의심합니다. 그러나 무엇이 ANITA 행사를 그렇게 활기차게 만드는가?”

중성미자는 표준 모델을 위반하는 유일한 알려진 입자입니다. 소립자의 표준모형에 따르면 우리는 60가지 유형의 중성미자(전자, 뮤온, 타우)와 XNUMX가지 유형의 반중성미자가 있어야 하며, 형성 후에는 안정하고 성질이 변하지 않아야 합니다. XNUMX년대 이후, 태양에 의해 생성된 중성미자에 대한 최초의 계산과 측정이 나왔을 때 우리는 문제가 있다는 것을 깨달았습니다. 우리는 얼마나 많은 전자 중성미자가 형성되었는지 알고 있었습니다. 태양핵. 그러나 도착한 사람의 수를 측정했을 때 예상한 수의 XNUMX분의 XNUMX에 불과했습니다.

탐지기에 문제가 있거나 태양 모델에 문제가 있거나 중성미자 자체에 문제가 있습니다. 원자로 실험은 감지기에 문제가 있다는 생각을 빠르게 반증했습니다(4). 그들은 예상대로 일했고 그들의 성과는 매우 좋은 평가를 받았습니다. 우리가 탐지한 중성미자는 도착한 중성미자의 수에 비례하여 등록되었습니다. 수십 년 동안 많은 천문학자들은 우리의 태양 모델이 틀렸다고 주장해 왔습니다.

4. 슈퍼 카미오칸데 검출기에서 나온 체렌코프 복사의 중성미자 사건 이미지

물론, 사실이라면 표준 모델이 예측한 우주에 대한 우리의 이해를 바꿀 또 다른 이국적인 가능성이 있었습니다. 아이디어는 우리가 알고 있는 세 가지 유형의 중성미자가 실제로 질량이 아니라 질량을 가지고 있다는 것입니다. 기대다, 그리고 충분한 에너지가 있으면 맛을 바꾸기 위해 혼합(변동)할 수 있습니다. 중성미자가 전자적으로 트리거되면 뮤온 i 타오노프그러나 이것은 질량이 있는 경우에만 가능합니다. 과학자들은 오른손잡이 및 왼손잡이 중성미자의 문제에 대해 우려하고 있습니다. 구별할 수 없으면 입자인지 반입자인지 구별할 수 없기 때문입니다.

중성미자 자체가 반입자가 될 수 있습니까? 일반적인 표준 모델에 따르지 않습니다. 페르미온일반적으로 그것들은 그들 자신의 반입자가 되어서는 안 됩니다. 페르미온은 ± XNUMX/XNUMX의 회전을 가진 모든 입자입니다. 이 범주에는 중성미자를 포함한 모든 쿼크와 경입자가 포함됩니다. 그러나 지금까지는 이론상으로만 존재하는 특별한 유형의 페르미온이 있습니다. 바로 그 자체의 반입자인 마요라나 페르미온입니다. 있었다면 뭔가 특별한 일이 일어났을지도... 중성미자 없음 이중 베타 붕괴. 그리고 오랫동안 그러한 격차를 찾고 있던 실험자들에게 기회가 있습니다.

중성미자와 관련된 모든 관찰된 과정에서 이러한 입자는 물리학자들이 왼손잡이라고 부르는 속성을 나타냅니다. 표준 모델의 가장 자연스러운 확장인 오른손잡이 중성미자는 어디에도 없습니다. 다른 모든 MS 입자에는 오른손잡이 버전이 있지만 중성미자는 그렇지 않습니다. 왜요? 크라쿠프에 있는 폴란드 과학 아카데미의 핵 물리학 연구소(IFJ PAN)를 포함한 국제 물리학 팀의 매우 포괄적인 최신 분석이 이 문제에 대한 연구를 수행했습니다. 과학자들은 오른손잡이 중성미자에 대한 관찰의 부족이 그것이 마조라나 페르미온임을 증명할 수 있다고 믿습니다. 그렇다면 오른쪽 버전이 매우 방대하여 탐지의 어려움을 설명합니다.

그러나 우리는 중성미자가 그 자체로 반입자인지 여부를 아직 모릅니다. 우리는 그들이 힉스 입자의 매우 약한 결합에서 질량을 얻는지 아니면 다른 메커니즘을 통해 질량을 얻는지 모릅니다. 그리고 우리는 모릅니다. 아마도 중성미자 부문은 우리가 생각하는 것보다 훨씬 더 복잡하며, 불임 또는 무거운 중성미자가 어둠 속에 숨어 있습니다.

원자 및 기타 이상 현상

소립자 물리학에는 유행하는 중성미자 외에도 "새로운 물리학"이 빛을 발할 수 있는 잘 알려지지 않은 다른 연구 분야가 있습니다. 예를 들어, 과학자들은 최근에 수수께끼 같은 것을 설명하기 위해 새로운 유형의 아원자 입자를 제안했습니다. 로 분해 (5) 다음으로 구성된 중간자 입자의 특별한 경우 하나의 쿼크 i 한 골동품 상인. 카온 입자가 붕괴되면 그 중 일부가 과학자들을 놀라게 하는 변화를 겪습니다. 이 붕괴의 스타일은 새로운 유형의 입자 또는 새로운 물리적 힘이 작용하고 있음을 나타낼 수 있습니다. 이것은 표준 모델의 범위를 벗어납니다.

표준 모델에서 공백을 찾기 위한 더 많은 실험이 있습니다. 여기에는 g-2 muon에 대한 검색이 포함됩니다. 거의 2년 전에 물리학자 Paul Dirac은 입자의 스핀 특성을 결정하는 숫자인 g를 사용하여 전자의 자기 모멘트를 예측했습니다. 그런 다음 측정 결과 "g"가 2와 약간 다른 것으로 나타났으며 물리학자들은 "g"의 실제 값과 1959의 차이를 사용하여 아원자 입자의 내부 구조와 일반적인 물리 법칙을 연구하기 시작했습니다. 2년 스위스 제네바의 CERN은 전자에 결합되어 있지만 불안정하고 기본 입자보다 207배 무거운 뮤온이라는 아원자 입자의 g-XNUMX 값을 측정하는 첫 번째 실험을 수행했습니다.

뉴욕의 Brookhaven 국립 연구소는 자체 실험을 시작하여 2년에 g-2004 실험 결과를 발표했습니다. 측정은 표준 모델이 예측한 것이 아닙니다. 그러나 실험은 측정된 값이 단순히 통계적 변동이 아니라 실제로 다르다는 것을 결론적으로 증명할 수 있는 통계적 분석을 위한 충분한 데이터를 수집하지 못했습니다. 다른 연구 센터에서는 현재 g-2로 새로운 실험을 진행하고 있으며 곧 결과를 알 수 있을 것입니다.

이것보다 더 흥미로운 것이 있다 가온 변칙 i 뮤온. 2015년 베릴륨 8Be의 붕괴 실험에서 이상 현상이 나타났습니다. 헝가리 과학자들은 탐지기를 사용합니다. 그러나 우연히 발견했거나 발견했다고 생각하는 것은 자연의 다섯 번째 기본 힘의 존재를 암시합니다.

캘리포니아 대학의 물리학자들이 이 연구에 관심을 갖게 되었습니다. 그들은 현상이라고 제안했다 원자 이상, 그것은 자연의 다섯 번째 힘을 전달하기로 되어 있는 완전히 새로운 입자에 의해 발생했습니다. 상응하는 질량이 거의 17만 전자 볼트로 생각되기 때문에 X17이라고 불립니다. 이것은 전자 질량의 30배이지만 양성자 질량보다 작습니다. 그리고 X17이 양성자와 작동하는 방식은 가장 이상한 기능 중 하나입니다. 즉, 양성자와 전혀 상호 작용하지 않습니다. 대신, 그것은 전혀 전하를 띠지 않는 음전하를 띤 전자나 중성자와 상호작용합니다. 이로 인해 X17 입자를 현재 표준 모델에 맞추기가 어렵습니다. 보손은 힘과 관련이 있습니다. 글루온은 강한 힘, 보존은 약한 힘, 광자는 전자기력과 관련이 있습니다. 중력자(graviton)라고 불리는 중력에 대한 가상의 보존도 있습니다. 보존자로서 X17은 지금까지 우리에게 미스터리로 남아 있었고 앞으로도 그럴 수 있는 것과 같은 고유한 힘을 가지고 있을 것입니다.

우주와 그것이 선호하는 방향은?

올해 13월 Science Advances 저널에 발표된 논문에서 시드니 뉴사우스웨일스 대학의 과학자들은 XNUMX억 광년 떨어진 퀘이사에서 방출하는 빛의 새로운 측정값이 미세한 상수 구조에서 작은 변화를 발견한 이전 연구를 확인시켜주었다고 보고했습니다. 우주의. 존 웹 교수 UNSW(6)의 미세 구조 상수는 "물리학자들이 전자기력의 척도로 사용하는 양"이라고 설명합니다. 전자기력 우주의 모든 원자에 있는 핵 주위에 전자를 유지합니다. 그것 없이는 모든 문제가 무너질 것입니다. 최근까지 그것은 시간과 공간에서 일정한 힘으로 간주되었습니다. 그러나 지난 XNUMX년 동안의 연구에서 Webb 교수는 우주에서 선택된 한 방향으로 측정된 전자기력이 항상 약간 다른 것처럼 보이는 고체 미세 구조의 이상을 발견했습니다.

"라고 Webb는 설명합니다. 불일치는 호주 팀의 측정이 아니라 다른 과학자들이 퀘이사 빛에 대한 다른 많은 측정과 결과를 비교할 때 나타났습니다.

"라고 Webb 교수는 말합니다. "". 그의 의견으로는 그 결과가 우주에 선호되는 방향이 있을 수 있음을 시사하는 것 같습니다. 즉, 우주는 어떤 의미에서 쌍극자 구조를 가질 것입니다.

"" 과학자는 표시된 이상 현상에 대해 말합니다.

이것은 한 가지 더 있습니다. 은하, 퀘이사, 가스 구름 및 생명체가 있는 행성이 무작위로 퍼져 있는 것으로 생각되는 대신 우주에 갑자기 북쪽과 남쪽에 대응하는 것이 있습니다. 그럼에도 불구하고 Webb 교수는 과학자들이 서로 다른 단계에서 서로 다른 기술을 사용하여 지구상의 서로 다른 장소에서 수행한 측정 결과가 사실은 엄청난 우연의 일치라는 것을 인정할 준비가 되어 있습니다.

Webb은 우주에 방향성이 있고 전자기학이 우주의 특정 지역에서 약간 다른 것으로 판명된다면 현대 물리학의 대부분 뒤에 있는 가장 근본적인 개념을 다시 검토해야 할 필요가 있다고 지적합니다. "", 말합니다. 이 모델은 자연 법칙의 불변성을 명시적으로 가정하는 아인슈타인의 중력 이론을 기반으로 합니다. 그리고 그렇지 않다면 ... 전체 물리학 건물을 뒤집어 놓는 생각에서 정신이 아슬 아슬합니다.