Физики нашли доказательство существования еще одной силы природы
Все в нашей Вселенной работает при взаимодействии между собой четырех фундаментальных сил природы: электромагнетизма, гравитации и двух типов ядерных взаимодействий. Несмотря на то, что наличие четырех основных сил было уже давно доказано, возможное присутствие пятой долгое время оспаривалось исследователями-физиками. Вместе с тем, Аттила Краснахоркай и его коллеги из Института ядерных исследований в Венгрии пришли к выводу, что действие пятой физической силы можно увидеть при изучении атома гелия.
Атом гелия может раскрыть тайну происхождения пятой фундаментальной силы Вселенной
Пятая фундаментальная сила Вселенной
Частица Х17 — таинственная частица, которую ученые смогли увидеть при распаде изотопа бериллия. Когда в 2016 году команда венгерских физиков смогла рассмотреть свет, исходящий от распадающейся частицы металла, электроны и позитроны обнаруженного излучения начали отталкиваться друг от друга под некоторым углом, прежде чем полностью исчезнуть. Как сообщает портал livescience.com, закон сохранения энергии требует уменьшения значений угла между частицами света. Однако то, что увидели Аттила Краснахоркай и его команда, может позволить ученым наконец-то разобраться с проблемой темной материи. Так, количество электронов и позитронов бериллия неожиданно увеличилось, разделившись при этом под углом 140 градусов. Согласно мнению ученых, неожиданная аномалия может свидетельствовать о существовании фундаментального бозона нового вида, который не может являться представителем одной из четырех уже известных сил. Одним из основных доказательств может быть его отличительная масса, которая составляет приблизительно 17 мегаэлектровольт, что приблизительно в 33 раза больше массы электрона. Кроме того, новый бозон отличается крайне низкой продолжительностью жизни, существуя всего около пары секунд.
Для того, чтобы подтвердить или опровергнуть свою теорию, венгерские исследователи решили повторить свой эксперимент, но уже при взаимодействии с ядром гелия. Подобно предыдущему открытию, в ядре гелия также были обнаружено несколько особых пар электронов и позитронов, разделенных под углом, который не соответствовал принятым в настоящее время нормам. Так, в этот раз полученный результат приближался к 115 градусам. Продолжив наблюдения, команда вычислила, что ядро гелия могло произвести короткоживущий бозон с массой, приблизительно равной 17 мегаэлектронвольт. Найденную гипотетическую частицу было принято решение называть X17, и ее возможное существование намекает на наличие еще неизученной силы, которая действует совсем не так, как традиционная четверка.
Обнаружение пятой фундаментальной частицы могло бы помочь в обнаружении темной материи
Как известно, одной из величайших загадок современности является возможное существование так называемой темной материи, наличие которой могло бы объяснить множество нестыковок, присутствующих в современной астрофизике. Открытие новой фундаментальной частицы могло бы указать путь к решению этой загадки, связав воедино материю, которую мы видим, с материей, которая по каким-то причинам от нас скрывается.
Источник
Пятая фундаментальная сила — взаимодействие
Пятая фундаментальная сила. Научпоп. Начало 1986 года в мире фундаментальной физики произошла сенсация — специалисты университета Пердью (США) опубликовали в журнале «Physical Reviev Letters» статью, в которой сообщали о странных экспериментальных данных своих опытов с частицами микромира. Согласно выводам ученых под руководством Е. Фишбаха подобные результаты были бы вполне объяснимы, если допустить наличие в природе некоего неизвестного до сих пор взаимодействия.
Источник изображения: cosmosup.com
Поиски пятой фундаментальной силы: что удалось узнать учёным
До 1986 года Стандартная модель современной физики прекрасно обходилась 4 фундаментальными взаимодействиями — гравитационным, электромагнитным, сильным и слабым. Первые 2 взаимодействия хорошо известны любому обывателю, а оставшиеся отвечают за различные процессы внутри атомных ядер.
Найти в реальности пятую фундаментальную силу пока не удалось, хотя и было несколько сообщений о ее обнаружении, но четких доказательств пока не приведено. Правда по косвенным данным можно судить, что если она существует, то сравнима по силе с гравитационным взаимодействием, а значит многократно уступает всем остальным фундаментальным взаимодействиям. Также косвенно можно установить на каких расстояниях может проявлять себя неизвестная фундаментальная сила — они колеблются от менее миллиметра до космических масштабов.
Поиски неизвестного фундаментального взаимодействия стали особенно активными в 2 последние десятилетия. Попытка установить, сменится ли красное допплеровское смещение фиолетовым (что приведет к стягиванию Вселенной в одну точку — сингулярность) ил расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно долго.
Одним из способов установить дальнейшую эволюцию Вселенной оказалось измерение скорости вращения галактик. Изучение движения осуществлялось с помощью космического аппарата WMAP, предназначенного для изучения реликтового излучения (остаточного теплового излучения от Большого взрыва).
Источник изображения: thoughty2.net
По результатам анализа данных выяснилось, что весьма значительная часть массы нашей вселенной недоступна для непосредственных наблюдений, поскольку не участвует в электромагнитном излучении. Судить о существовании темной материи можно только по ее участию в гравитационном взаимодействии.
Большинство современных физиков сходятся во мнении, что темная материя представляет собой не что иное как не открытую еще элементарную частицу. Однако часть специалистов полагает, что темная материя связана с новым видом фундаментального взаимодействия.
Не так давно космологи обнаружили, что расширение Вселенной невозможно объяснить в рамках Стандартной модели физики. Окружающий нас мир мало того что расширяется, так делает это ускоренно. Но ускоренное расширение возможно только при условии, что есть приток неизвестной нам энергии. Эта энергия, по аналогии с материей, получила название темной. Темная энергия получила название квинтэссенция, часть физиков полагает именно ее пятой фундаментальной силой.
Если пятая фундаментальная сила существует, то что может быть ее «переносчиком»
Если есть пятая фундаментальная сила, то можно предположить, что существует ее переносчик. Здесь мы вынуждены еще больше погрузиться в область предположений. В 2016 году команда венгерских физиков под руководством Аттилы Краснохоркаи изучала переход атомов Бериллия-8 из возбужденного в нормальное состояние. Обычный переход атома из возбужденного состояния в нормальное, согласно Стандартной модели физики, сопровождается излучением фотона. Однако в некоторых случаях венгерские ученые отмечали не излучение кванта света, а рождение электронно-позитронной пары.
Само появление электронно-позитронных пар дело неожиданное, но наиболее интересным оказался факт, что при приближении угла разлета между электроном и позитроном к 140 градусам, количество образованных пар резко увеличивалось. Появилось предположение, что такая картина может объясняться испусканием бериллием-8 особого сверхлегкого бозона, обладающего массой примерно 17 МэВ. Исследователи из Ирана и калифорнии предположили, что все дело даже не в существовании этого бозона, а в том, что их венгерские коллеги столкнулись с пятой фундаментальной силой.
Еще один эксперимент косвенно свидетельствующий о наличии фундаментального взаимодействия был проведен японцем Такааки Кадзитой и канадцем Артуром Макдоналдом. Этим ученым удалось доказать, что нейтрино способны переходить из одного состояния в другое. А это требует наличия массы, что не вписывается в Стандартную модель физики. Здесь пятое фундаментальное взаимодействие также способно устранить противоречия.
Источник
ЕСТЬ ЛИ ПЯТАЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ СИЛА ВО ВСЕЛЕННОЙ?
Из общего массового содержания энергии во Вселенной регулярное вещество, составляющее звезды, планеты и людей, составляет менее 5%. Остальные 95% состоят из вещей, которые мы не можем увидеть или обнаружить. Обычно известные как темная материя и темная энергия, они составляют 26% и 69% Вселенной соответственно.
Темная материя, как следует из названия, не взаимодействует со светом, что затрудняет ее обнаружение. Он действует как космический «клей», который удерживает галактики вместе. Темная энергия, с другой стороны, считается ответственной за наблюдаемое ускоряющееся расширение Вселенной.
Известно, что во Вселенной существуют четыре фундаментальные силы: электромагнитная сила, сильная ядерная сила, слабая ядерная сила и гравитационная сила. Каждая фундаментальная сила имеет фундаментальную частицу в качестве своего носителя.
Электромагнитная сила переносится фотонами. Сильная ядерная сила, которая скрепляет составляющие ядра, переносится глюонами. Слабая сила, ответственная за радиоактивность, несут «W» и «Z» бозоны. Последний и самый слабый из них, гравитационная сила, как полагают, опосредована гравитонами, хотя в настоящее время нет никаких доказательств их существования. Фотоны, глюоны, гравитоны и W и Z-бозоны принадлежат к классу фундаментальных частиц, известных как «бозоны» — частицы, несущие силу.
В 2015 году исследователи из Венгерской академии наук выпустили высокоэнергетические пучки протонов на литий-7. Эксперимент предоставил доказательство существования новой субатомной частицы, которая была в 30 раз тяжелее электрона. Дальнейший анализ показал, что частица может быть бозоном, который несет пятую фундаментальную силу.
Частица была названа протофобным «Х-бозоном». Он взаимодействует только с электронами и нейтронами и имеет очень маленький радиус действия. Существование пятой фундаментальной силы может объяснить темную материю и многие другие необъяснимые вещи во вселенной. Физики стремятся найти пятую фундаментальную силу. Большинство физиков считают, что пятая неизвестная сила может объяснить таинственные вещества, такие как темная материя и темная энергия, которые составляют большую часть вселенной.
В 2018 году исследовательская группа проверила пятую силу, изучив бинарный пульсар PSR J1713 + 0747 на расстоянии 3800 световых лет от Земли. Они обнаружили, что если существует пятая сила, действующая между темной материей и обычной материей, она будет очень и очень слабой — менее 1% от силы гравитационной силы.
Было несколько попыток найти пятую силу экспериментально. Возможно, пятая сила очень слаба и ее трудно обнаружить, или она полностью за пределами нашего понимания! Кто знает?
Источник
Физики открыли пятую силу природы. Главное об эксперименте с мюоном g-2
Ученые обнаружили признаки существования пятой силы природы. В этом им помог эксперимент с мюоном g-2 — он показал отклонение от Стандартной модели. Рассказываем, что это такое, о какой новой силе идет речь и что стоит за новым открытием.
С чего все началось?
Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Национальной ускорительной лаборатории Ферми вместе с сотрудниками из 46 других учреждений и семи стран проводят эксперимент, чтобы проверить наше нынешнее понимание Вселенной. Первый результат указывает на существование неоткрытых частиц или сил. Эта новая физика может помочь объяснить давние научные загадки, что приведет к новому пониманию нашей Вселенной и разработке новых технологий.
Представители проекта Muon g-2 («Мюон джи минус два») огласили первые результаты измерений магнитных свойств мюонов. Проект Muon g-2 — продолжение эксперимента, который начался в 90-х годах в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, когда ученые измерили магнитное свойство фундаментальной частицы, называемой мюоном. Эксперимент в Брукхейвене дал результат, который отличался от значения, предсказанного Стандартной моделью, лучшим описанием учеными структуры и поведения Вселенной. Новый эксперимент представляет собой воссоздание эксперимента Брукхейвена, созданный для того, чтобы оспорить или подтвердить несоответствие с более высокой точностью.
Недавно ученые выяснили, что в поведении мюонов есть почти неоспоримые следы «новой физики» — то есть явлений, которые не описывает основная теория физики элементарных частиц — так называемая Стандартная модель. Об этом рассказал официальный представитель проекта Крис Полли, выступая на онлайн-брифинге для журналистов.
«Мы 20 лет ожидали этого результата. Он критически важен для понимания того, что именно было причиной расхождения в измерениях 20-летней давности и предсказаниях Стандартной модели. Мы удвоили точность измерений и не нашли ничего, что противоречило бы прошлым результатам. Это дает большие надежды на открытие „новой физики“ в поведении мюонов», — рассказал ученый.
Два разных эксперимента с мюонами (в США и Европе) в итоге показали неожиданные результаты. Мюоны вели себя не так, как от них ожидали, за пределами Стандартной модели. Это может поменять представление ученых о том, как вообще все работает во Вселенной.
Опубликованные в 2021 году предварительные результаты экспериментов в ЦЕРНеи на объекте лаборатории Ферми в США бросают вызов представлениям физиков о Вселенной.
Что такое «новая физика»?
Стандартная модель — общепринятая на данный момент теоретическая конструкция, описывающая взаимодействие всех элементарных частиц во Вселенной. Свод правил, называемый Стандартной моделью, был разработан около 50 лет назад. Эксперименты, проводившиеся на протяжении десятилетий, снова и снова подтверждали, что его описания частиц и сил, которые составляют и управляют Вселенной, в значительной степени верны. До настоящего времени.
В свою очередь, новая физика — физика за пределами Стандартной модели — относится к теоретическим разработкам, которые необходимы, чтобы объяснить недостатки СТ. Например, происхождение массы, сильная CP-проблема , нейтринные осцилляции , асимметрия материи и антиматерии , происхождение темной материи и темной энергии. Другая проблема заключается в математических основах самой Стандартной модели — она не согласуется с общей теорией относительности (ОТО). Одна или обе теории распадаются в своих описаниях на более мелкие при определенных условиях (например, в рамках известных сингулярностей пространства-времени, таких как Большой взрыв и горизонты событий черных дыр).
Теории, которые лежат за пределами Стандартной модели, включают в себя различные расширения Стандартной модели через суперсимметрию, такие, как Минимальная суперсимметричная стандартная модель и Следующая за минимальной суперсимметричная стандартная модель, либо совершенно новые объяснения, такие как теория струн, M-теория и дополнительные измерения. Поскольку эти теории, как правило, полностью согласуются с текущими наблюдаемыми явлениями или не доведены до состояния конкретных предсказаний, вопрос о том, какая теория является правильной (или по крайней мере «лучшим шагом» к Теории всего), может быть решен только с помощью экспериментов. В настоящее время это одна из наиболее активных областей исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике.
Стандартная модель очень точно предсказывает g-фактор мюона — значение, которое говорит ученым, как эта частица ведет себя в магнитном поле. Этот g-фактор, как известно, близок к значению два, и эксперименты измеряют его отклонение от двух, отсюда и название Muon g-2.
Эксперимент в Брукхейвене показал, что g-2 отличается от теоретического предсказания на несколько частей на миллион. Эта крохотная разница намекала на существование неизвестных взаимодействий между мюоном и магнитным полем — взаимодействий, которые могут включать новые частицы или силы.
К чему приведут новые открытия? Частицы, выходящие за рамки Стандартной модели, могут помочь объяснить загадочные явления, как природа темной материи, загадочной и широко распространенной субстанции, о существовании которой физики знают, но её еще предстоит обнаружить.
А что такое мюоны?
Вся наша Вселенная построена из частиц размером меньше атома. Некоторые из этих частиц состоят из еще более мелких частиц, другие уже не дробятся. Это и есть элементарные частицы.
Мюоны как раз и являются такими элементарными частицами: они похожи на электроны, только в 200 раз тяжелее.
В ходе эксперимента Muon g-2 частицы разгонялись по 14-метровому кольцу в циркулярном коллайдере под воздействием мощного магнитного поля.
Согласно известным законам физики, это должно было приводить к колебанию мюонов с определенной частотой. Однако физики обнаружили, что частота их колебаний оказалась выше предполагаемой. По их мнению, это может свидетельствовать о действии силы, ранее не известной науке.
Никто не знает точно, что еще, кроме воздействия на мюон, подвластно этой новой силе. Иными словами, поведение мюонов выходило за рамки того, что знают ученые. Физики задумались, а не причастна ли тут какая-то еще неизвестная, пятая сила?
О какой пятой силе идет речь?
Вся наша жизнь подчинена законам физики. Все эти силы, с которыми мы имеем дело каждый день, можно свести к четырем фундаментальным категориям взаимодействий: электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное.
Четыре фундаментальных силы определяют взаимодействие всех объектов и частиц во Вселенной. К примеру, сила тяжести, она же гравитация, заставляет объекты падать на землю и не позволяет отрываться от нее без приложения другой силы.
Но, как утверждает международная команда физиков, в ходе исследований в рамках эксперимента Muon g-2, проводившихся в лаборатории городка Батавия рядом с Чикаго, они, возможно, обнаружили новую, пятую силу природы.
«Мы обнаружили, что взаимодействие мюонов не согласуется со Стандартной моделью, — рассказал в интервью «Би-би-си» руководитель эксперимента с британской стороны профессор Марк Ланкастер. — Понятно, что мы все в восторге, потому что это открывает будущее с новыми законами физики, новыми частицами и новыми, невиданными до сих пор силами».
Теоретики полагают, что она может быть каким-то образом связана с еще не открытой субатомной частицей.
Насчет этой гипотетической частицы есть сразу несколько предположений. Это может быть так называемый лептокварк (частица, переносящая информацию между кварками и лептонами) или Z-бозон (который сам для себя служит античастицей).
Эксперимент был поставлен в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми (Фермилаб) в городе Батавия, штат Иллинойс, с целью изучения поведения субатомной частицы под названием мюон.
Два экспермента изменят наше понимание мира
Еще в прошлом месяце физики, проводившие эксперимент на Большом адронном коллайдере в Европе, отмечали, что полученные результаты могут свидетельствовать о наличии новой частицы и силы.
Долгое время в ЦЕРНе физики сталкивали протоны друг с другом, чтобы посмотреть, что произойдет после. Один из экспериментов измеряет, что происходит при столкновении частиц, называемых красными или нижними кварками.
Стандартная модель предсказывает, что эти крушения красивых кварков должны приводить к равному количеству электронов и мюонов. «Это похоже на подбрасывание монеты 1 000 раз и получение примерно равного количества орлов и решек», — сказал руководитель экспериментов по красоте на Большом адронном коллайдере Крис Паркс.
Но этого не произошло.
Исследователи внимательно изучили данные за несколько лет и несколько тысяч аварий и обнаружили разницу в 15%. При этом электронов значительно больше, чем мюонов, сказал исследователь эксперимента Шелдон Стоун из Университета Сиракьюса.
Что в итоге?
Первый результат нового эксперимента полностью согласуется с результатами Брукхейвена, что усиливает свидетельство того, что предстоит открыть новую физику. Объединенные результаты Фермилаба и Брукхейвена показывают отличие от Стандартной модели при значении 4,2 сигмы (или стандартных отклонений), что немного меньше, чем 5 сигм, которые необходимы ученым, чтобы заявить об открытии, но все же убедительное свидетельство новой физики. Вероятность того, что результаты являются статистическими колебаниями, составляет примерно 1 из 40 000. И все же данные заставили физиков во всем мире задуматься, верно ли наше понимание мира. Такого не было со времен открытия бозона Хиггса, часто называемого «частицей Бога».
Британский Совет по научно-техническому оборудованию уже объявил, что результаты экспериментов в США дают весомые подтверждения существованию доселе неизвестной субатомной частицы или новой силы.
По словам исследователей, повторное проведение экспериментов — запланированное в обоих случаях — через год или два позволит достичь невероятно строгих статистических требований, предъявляемых физиками к открытию.
Если результаты подтвердятся, они перевернут «все остальные вычисления», сделанные в мире физики элементарных частиц.
«Могут быть возобновлены усилия по поиску мюонов на Большом адронном коллайдере в поисках возможных намеков на новую физику, лежащую в основе значения g-2, — сказал Карлос Вагнер, физик-теоретик из Аргоннской HEP, который пытается объяснить эти явления. — Также может возобновиться интерес к созданию мюонного коллайдера, который может предоставить прямой способ проверки этой новой физики».
Как только ученые овладеют этой новой физикой, она сможет дать информацию космологическим и квантово-механическим моделям или даже помочь ученым изобрести новые технологии в будущем — возможно, следующую термоусадочную пленку.
В последние годы ученые столкнулись со множеством загадок Вселенной, и доказанное наличие новой силы очень помогло бы в их разгадке.
M-теория — современная физическая теория, созданная с целью объединения фундаментальных взаимодействий. В качестве базового объекта используется так называемая «брана» (многомерная мембрана) — протяжённый двухмерный или с большим числом измерений (n-брана) объект.
В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные теории представляют собой различные предельные случаи неразработанной пока 11-мерной М-теории. Это открытие ознаменовало вторую суперструнную революцию.
В физике элементарных частиц нарушение CP-инвариантности — это нарушение комбинированной чётности (CP-симметрии), то есть неинвариантность законов физики относительно операции зеркального отражения с одновременной заменой всех частиц на античастицы.
Нейтринные осцилляции — превращения нейтрино в нейтрино другого сорта, или же в антинейтрино. Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы собственного времени
Барионная асимметрия Вселенной — наблюдаемое преобладание в видимой части Вселенной вещества над антивеществом.
Источник