La nueva física brilla desde muchos lugares

Cualquier posible cambio que nos gustaría hacer al modelo estándar de la física (1) o la relatividad general, nuestras dos mejores (aunque incompatibles) teorías del universo, ya es muy limitado. En otras palabras, no puedes cambiar mucho sin socavar el todo.

El hecho es que también hay resultados y fenómenos que no pueden explicarse sobre la base de los modelos que conocemos. Entonces, ¿deberíamos esforzarnos por hacer que todo sea inexplicable o inconsistente a toda costa y sea consistente con las teorías existentes, o deberíamos buscar otras nuevas? Esta es una de las cuestiones fundamentales de la física moderna.

El modelo estándar de física de partículas ha explicado con éxito todas las interacciones conocidas y descubiertas entre partículas que se han observado hasta ahora. El universo está formado por quarks, leptonov y los bosones de medida, que transmiten tres de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza y dan a las partículas su masa en reposo. También existe la relatividad general, nuestra, lamentablemente, no una teoría cuántica de la gravedad, que describe la relación entre el espacio-tiempo, la materia y la energía en el universo.

La dificultad de ir más allá de estas dos teorías es que si intentas cambiarlas introduciendo nuevos elementos, conceptos y cantidades, obtendrás resultados que contradicen las medidas y observaciones que ya tenemos. También vale la pena recordar que si desea ir más allá de nuestro marco científico actual, la carga de la prueba es enorme. Por otro lado, es difícil no esperar tanto de alguien que socava modelos probados durante décadas.

Frente a tales demandas, no sorprende que casi nadie intente desafiar por completo el paradigma existente en la física. Y si lo hace, no se toma en serio en absoluto, ya que rápidamente tropieza con controles simples. Entonces, si vemos agujeros potenciales, estos son solo reflectores, lo que indica que algo está brillando en algún lugar, pero no está claro si vale la pena ir allí.

La física conocida no puede manejar el universo

¿Ejemplos del brillo de este “completamente nuevo y diferente”? Bueno, por ejemplo, las observaciones de la tasa de retroceso, que parecen inconsistentes con la afirmación de que el Universo está lleno solo de partículas del Modelo Estándar y obedece a la teoría general de la relatividad. Sabemos que las fuentes individuales de gravedad, las galaxias, los cúmulos de galaxias e incluso la gran red cósmica quizás no sean suficientes para explicar este fenómeno. Sabemos que, aunque el Modelo Estándar establece que la materia y la antimateria deben crearse y destruirse en cantidades iguales, vivimos en un universo compuesto principalmente de materia con una pequeña cantidad de antimateria. En otras palabras, vemos que la "física conocida" no puede explicar todo lo que vemos en el universo.

Muchos experimentos han arrojado resultados inesperados que, si se prueban a un nivel superior, podrían ser revolucionarios. Incluso la llamada Anomalía Atómica que indica la existencia de partículas puede ser un error experimental, pero también puede ser una señal de ir más allá del Modelo Estándar. Diferentes métodos para medir el universo dan diferentes valores para la tasa de su expansión, un problema que consideramos en detalle en una de las ediciones recientes de MT.

Sin embargo, ninguna de estas anomalías da resultados lo suficientemente convincentes como para ser consideradas un signo indiscutible de nueva física. Cualquiera o todos estos pueden ser simplemente fluctuaciones estadísticas o un instrumento calibrado incorrectamente. Muchos de ellos pueden apuntar a una nueva física, pero pueden explicarse con la misma facilidad utilizando partículas y fenómenos conocidos en el contexto de la relatividad general y el modelo estándar.

Planeamos experimentar, con la esperanza de obtener resultados y recomendaciones más claros. Pronto podremos ver si la energía oscura tiene un valor constante. Basado en estudios de galaxias planificados por el Observatorio Vera Rubin y datos sobre supernovas distantes que estarán disponibles en el futuro. telescopio nancy gracia, previamente WFPRIMERO, necesitamos averiguar si la energía oscura evoluciona con el tiempo dentro del 1%. Si es así, entonces nuestro modelo cosmológico "estándar" tendrá que ser cambiado. Es posible que la antena de interferómetro láser espacial (LISA) en términos de plan también nos dé sorpresas. En definitiva, contamos con los vehículos de observación y experimentos que estamos planificando.

También seguimos trabajando en el campo de la física de partículas, con la esperanza de encontrar fenómenos fuera del Modelo, como una medición más precisa de los momentos magnéticos del electrón y el muón; si no concuerdan, aparece una nueva física. Estamos trabajando para averiguar cómo fluctúan neutrino – aquí también brilla la nueva física. Y si construimos un colisionador electrón-positrón preciso, circular o lineal (2), podemos detectar cosas más allá del modelo estándar que el LHC aún no puede detectar. En el mundo de la física, se ha propuesto durante mucho tiempo una versión más grande del LHC con una circunferencia de hasta 100 km. Esto daría energías de colisión más altas que, según muchos físicos, finalmente señalarían nuevos fenómenos. Sin embargo, esta es una inversión extremadamente costosa, y la construcción de un gigante solo según el principio: "construyámoslo y veamos qué nos mostrará" genera muchas dudas.

2. Colisionador de leptones lineales - visualización

Hay dos tipos de enfoque de los problemas en la ciencia física. El primero es un enfoque complejo., que consiste en el diseño estrecho de un experimento o un observatorio para resolver un problema específico. El segundo enfoque se llama método de fuerza bruta.que desarrolla un experimento u observatorio universal que empuja los límites para explorar el universo de una manera completamente nueva que nuestros enfoques anteriores. El primero está mejor orientado en el Modelo Estándar. El segundo te permite encontrar rastros de algo más, pero, lamentablemente, ese algo no está exactamente definido. Por lo tanto, ambos métodos tienen sus inconvenientes.

Busque la llamada Teoría del Todo (TUT), el santo grial de la física, debe colocarse en la segunda categoría, ya que la mayoría de las veces se trata de encontrar energías cada vez más altas (3), en las que las fuerzas de la naturaleza finalmente se combina en una sola interacción.

3. Energías requeridas para una hipotética unificación de interacciones

neutrino nisforn

Recientemente, la ciencia se ha centrado cada vez más en áreas más interesantes, como la investigación de neutrinos, sobre la que recientemente publicamos un extenso informe en MT. En febrero de 2020, el Astrophysical Journal publicó una publicación sobre el descubrimiento de neutrinos de alta energía de origen desconocido en la Antártida. Además del conocido experimento, también se llevó a cabo una investigación en el continente helado bajo el nombre en clave ANITA (), consistente en el lanzamiento de un globo con un sensor ondas de radio.

Ambos y ANITA fueron diseñados para buscar ondas de radio de neutrinos de alta energía que chocan con la materia sólida que forma el hielo. Avi Loeb, presidente del Departamento de Astronomía de Harvard, explicó en el sitio web de Salon: “Los eventos detectados por ANITA ciertamente parecen una anomalía porque no pueden explicarse como neutrinos de fuentes astrofísicas. (...) Podría ser algún tipo de partícula que interactúa más débil que un neutrino con la materia ordinaria. Sospechamos que tales partículas existen como materia oscura. Pero, ¿qué hace que los eventos de ANITA sean tan enérgicos?

Los neutrinos son las únicas partículas conocidas que han violado el Modelo Estándar. Según el Modelo Estándar de partículas elementales, debemos tener tres tipos de neutrinos (electrónicos, muones y tau) y tres tipos de antineutrinos, y después de su formación deben ser estables y sin cambios en sus propiedades. Desde la década de 60, cuando aparecieron los primeros cálculos y mediciones de neutrinos producidos por el Sol, nos dimos cuenta de que había un problema. Sabíamos cuántos neutrinos electrónicos se formaron en núcleo solar. Pero cuando medimos cuántos llegaron, vimos solo un tercio del número previsto.

O algo anda mal con nuestros detectores, o algo anda mal con nuestro modelo del Sol, o algo anda mal con los propios neutrinos. Los experimentos con reactores desmintieron rápidamente la noción de que algo andaba mal con nuestros detectores (4). Funcionaron como se esperaba y su desempeño fue muy bien calificado. Los neutrinos que detectamos se registraron en proporción al número de neutrinos que llegaban. Durante décadas, muchos astrónomos han argumentado que nuestro modelo solar es incorrecto.

4. Imágenes de eventos de neutrinos en la radiación Cherenkov del detector Super Kamiokande

Por supuesto, había otra posibilidad exótica que, de ser cierta, cambiaría nuestra comprensión del universo de lo que predijo el Modelo Estándar. La idea es que los tres tipos de neutrinos que conocemos en realidad tienen masa, no apoyarse, y que se pueden mezclar (fluctuar) para cambiar de sabor si tienen suficiente energía. Si el neutrino se dispara electrónicamente, puede cambiar en el camino a muón i Taonovpero esto es posible sólo cuando tiene masa. Los científicos están preocupados por el problema de los neutrinos diestros y zurdos. Porque si no puedes distinguirlo, no puedes distinguir si es una partícula o una antipartícula.

¿Puede un neutrino ser su propia antipartícula? No según el modelo estándar habitual. Fermionesen general no deberían ser sus propias antipartículas. Un fermión es cualquier partícula con una rotación de ± XNUMX/XNUMX. Esta categoría incluye todos los quarks y leptones, incluidos los neutrinos. Sin embargo, existe un tipo especial de fermiones, que hasta ahora existe solo en teoría: el fermión de Majorana, que es su propia antipartícula. Si existiera, algo especial podría estar pasando... libre de neutrinos doble desintegración beta. Y aquí hay una oportunidad para los experimentadores que durante mucho tiempo han estado buscando esa brecha.

En todos los procesos observados que involucran a los neutrinos, estas partículas exhiben una propiedad que los físicos llaman zurdos. Los neutrinos dextrógiros, que son la extensión más natural del Modelo Estándar, no se ven por ninguna parte. Todas las demás partículas de MS tienen una versión diestra, pero los neutrinos no. ¿Por qué? El análisis más reciente y extremadamente completo realizado por un equipo internacional de físicos, incluido el Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (IFJ PAN) en Cracovia, ha investigado este tema. Los científicos creen que la falta de observación de los neutrinos dextrógiros podría probar que son fermiones de Majorana. Si lo fueran, entonces su versión del lado derecho es extremadamente masiva, lo que explica la dificultad de detección.

Sin embargo, todavía no sabemos si los neutrinos son antipartículas en sí mismos. No sabemos si obtienen su masa de la unión muy débil del bosón de Higgs o si la obtienen a través de algún otro mecanismo. Y no sabemos, tal vez el sector de los neutrinos sea mucho más complejo de lo que pensamos, con neutrinos estériles o pesados ​​acechando en la oscuridad.

Átomos y otras anomalías.

En la física de partículas elementales, además de los neutrinos de moda, existen otras áreas de investigación menos conocidas en las que puede brillar la "nueva física". Los científicos, por ejemplo, han propuesto recientemente un nuevo tipo de partícula subatómica para explicar el enigmático desintegración como (5), un caso especial de una partícula de mesón que consta de un quark i un anticuario. Cuando las partículas de kaon se desintegran, una pequeña fracción de ellas sufre cambios que sorprendieron a los científicos. El estilo de esta descomposición puede indicar un nuevo tipo de partícula o una nueva fuerza física en acción. Esto está fuera del alcance del Modelo Estándar.

Hay más experimentos para encontrar brechas en el modelo estándar. Estos incluyen la búsqueda del muón g-2. Hace casi cien años, el físico Paul Dirac predijo el momento magnético de un electrón usando g, un número que determina las propiedades de espín de una partícula. Luego, las mediciones mostraron que "g" es ligeramente diferente de 2, y los físicos comenzaron a usar la diferencia entre el valor real de "g" y 2 para estudiar la estructura interna de las partículas subatómicas y las leyes de la física en general. En 1959, el CERN en Ginebra, Suiza, realizó el primer experimento que midió el valor g-2 de una partícula subatómica llamada muón, unida a un electrón pero inestable y 207 veces más pesada que una partícula elemental.

El Laboratorio Nacional Brookhaven en Nueva York comenzó su propio experimento y publicó los resultados de su experimento g-2 en 2004. La medida no fue lo que predijo el modelo estándar. Sin embargo, el experimento no recopiló suficientes datos para que el análisis estadístico probara de manera concluyente que el valor medido era realmente diferente y no solo una fluctuación estadística. Otros centros de investigación ahora están realizando nuevos experimentos con g-2, y probablemente pronto conoceremos los resultados.

Hay algo más intrigante que esto. Anomalías de Kaon i muón. En 2015, un experimento sobre la descomposición del berilio 8Be mostró una anomalía. Científicos en Hungría usan su detector. Incidentalmente, sin embargo, descubrieron, o creyeron haber descubierto, lo que sugiere la existencia de una quinta fuerza fundamental de la naturaleza.

Los físicos de la Universidad de California se interesaron en el estudio. Ellos sugirieron que el fenómeno llamado anomalía atómica, fue causado por una partícula completamente nueva, que se suponía que portaba la quinta fuerza de la naturaleza. Se llama X17 porque se cree que su masa correspondiente es de casi 17 millones de electronvoltios. Esto es 30 veces la masa de un electrón, pero menos que la masa de un protón. Y la forma en que X17 se comporta con un protón es una de sus características más extrañas, es decir, no interactúa en absoluto con un protón. En cambio, interactúa con un electrón o neutrón cargado negativamente, que no tiene carga alguna. Esto hace que sea difícil encajar la partícula X17 en nuestro modelo estándar actual. Los bosones están asociados con fuerzas. Los gluones están asociados con la fuerza fuerte, los bosones con la fuerza débil y los fotones con el electromagnetismo. Incluso hay un bosón hipotético para la gravedad llamado gravitón. Como bosón, X17 llevará una fuerza propia, como la que hasta ahora ha permanecido como un misterio para nosotros y podría serlo.

¿El universo y su dirección preferida?

En un artículo publicado este abril en la revista Science Advances, científicos de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney informaron que las nuevas mediciones de la luz emitida por un cuásar a 13 mil millones de años luz de distancia confirman estudios previos que encontraron pequeñas variaciones en la estructura constante fina. del universo. Profesor John Webb de UNSW (6) explica que la constante de estructura fina "es una cantidad que los físicos usan como medida de la fuerza electromagnética". fuerza electromagnetica mantiene electrones alrededor de los núcleos en cada átomo en el universo. Sin él, toda la materia se desmoronaría. Hasta hace poco, se consideraba una fuerza constante en el tiempo y el espacio. Pero en su investigación durante las últimas dos décadas, el profesor Webb ha notado una anomalía en la fina estructura sólida en la que la fuerza electromagnética, medida en una dirección elegida en el universo, siempre parece ser ligeramente diferente.

"" explica Webb. Las inconsistencias no aparecieron en las mediciones del equipo australiano, sino al comparar sus resultados con muchas otras mediciones de la luz del cuásar realizadas por otros científicos.

"" dice el profesor Webb. "". En su opinión, los resultados parecen sugerir que puede haber una dirección preferida en el universo. En otras palabras, el universo tendría en cierto sentido una estructura dipolar.

"" Dice el científico sobre las anomalías marcadas.

Esta es una cosa más: en lugar de lo que se pensaba que era una dispersión aleatoria de galaxias, cuásares, nubes de gas y planetas con vida, el universo de repente tiene una contraparte del norte y una del sur. No obstante, el profesor Webb está dispuesto a admitir que los resultados de las mediciones realizadas por científicos en diferentes etapas utilizando diferentes tecnologías y desde diferentes lugares de la Tierra son, de hecho, una gran coincidencia.

Webb señala que si hay direccionalidad en el universo, y si el electromagnetismo resulta ser ligeramente diferente en ciertas regiones del cosmos, será necesario revisar los conceptos más fundamentales detrás de gran parte de la física moderna. "", habla. El modelo se basa en la teoría de la gravedad de Einstein, que asume explícitamente la constancia de las leyes de la naturaleza. Y si no, entonces... la idea de convertir todo el edificio de la física es impresionante.