Nova física brilha em muitos lugares

Quaisquer mudanças possíveis que gostaríamos de fazer no Modelo Padrão da física (1) ou na relatividade geral, nossas duas melhores (embora incompatíveis) teorias do universo, já são muito limitadas. Em outras palavras, você não pode mudar muito sem minar o todo.

O fato é que também existem resultados e fenômenos que não podem ser explicados com base nos modelos que conhecemos. Então, devemos nos esforçar para tornar tudo inexplicável ou inconsistente a qualquer custo consistente com as teorias existentes, ou devemos procurar novas? Esta é uma das questões fundamentais da física moderna.

O Modelo Padrão da física de partículas explicou com sucesso todas as interações conhecidas e descobertas entre partículas que já foram observadas. O universo é feito de quarks, leptonov e bósons de calibre, que transmitem três das quatro forças fundamentais da natureza e dão às partículas sua massa de repouso. Há também a relatividade geral, nossa, infelizmente, não uma teoria quântica da gravidade, que descreve a relação entre espaço-tempo, matéria e energia no universo.

A dificuldade de ir além dessas duas teorias é que se você tentar modificá-las introduzindo novos elementos, conceitos e quantidades, obterá resultados que contradizem as medições e observações que já temos. Vale lembrar também que se você quiser ir além do nosso quadro científico atual, o ônus da prova é enorme. Por outro lado, é difícil não esperar tanto de alguém que mina modelos experimentados e testados por décadas.

Diante de tais demandas, não surpreende que quase ninguém tente desafiar completamente o paradigma existente na física. E se isso acontecer, não é levado a sério, pois rapidamente tropeça em verificações simples. Então, se vemos buracos potenciais, então estes são apenas refletores, sinalizando que algo está brilhando em algum lugar, mas não está claro se vale a pena ir até lá.

A física conhecida não pode lidar com o universo

Exemplos do brilho desse “completamente novo e diferente”? Bem, por exemplo, observações da taxa de recuo, que parecem inconsistentes com a afirmação de que o Universo é preenchido apenas com partículas do Modelo Padrão e obedece à teoria geral da relatividade. Sabemos que fontes individuais de gravidade, galáxias, aglomerados de galáxias e até mesmo a grande teia cósmica não são suficientes para explicar esse fenômeno, talvez. Sabemos que, embora o Modelo Padrão diga que matéria e antimatéria devem ser criadas e destruídas em quantidades iguais, vivemos em um universo composto principalmente de matéria com uma pequena quantidade de antimatéria. Em outras palavras, vemos que a "física conhecida" não pode explicar tudo o que vemos no universo.

Muitos experimentos produziram resultados inesperados que, se testados em um nível mais alto, podem ser revolucionários. Mesmo a chamada Anomalia Atômica indicando a existência de partículas pode ser um erro experimental, mas também pode ser um sinal de ir além do Modelo Padrão. Diferentes métodos de medição do universo fornecem valores diferentes para a taxa de sua expansão - um problema que consideramos em detalhes em uma das edições recentes do MT.

No entanto, nenhuma dessas anomalias fornece resultados suficientemente convincentes para ser considerada um sinal indiscutível da nova física. Qualquer um ou todos estes podem ser simplesmente flutuações estatísticas ou um instrumento calibrado incorretamente. Muitos deles podem apontar para uma nova física, mas podem ser facilmente explicados usando partículas e fenômenos conhecidos no contexto da relatividade geral e do Modelo Padrão.

Planejamos experimentar, esperando resultados e recomendações mais claros. Em breve poderemos ver se a energia escura tem um valor constante. Com base em estudos de galáxias planejados pelo Observatório Vera Rubin e dados sobre supernovas distantes a serem disponibilizados no futuro. telescópio nancy grace, anteriormente WFIRST, precisamos descobrir se a energia escura evolui com o tempo para dentro de 1%. Se assim for, então nosso modelo cosmológico "padrão" terá que ser mudado. É possível que a antena interferômetro laser espacial (LISA) em termos de plano também nos dê surpresas. Em suma, contamos com os veículos de observação e experimentos que estamos planejando.

Também estamos trabalhando no campo da física de partículas, na esperança de encontrar fenômenos fora do Modelo, como uma medição mais precisa dos momentos magnéticos do elétron e do múon - caso não concordem, surge uma nova física. Estamos trabalhando para descobrir como eles flutuam neutrino - aqui também brilha uma nova física. E se construirmos um colisor de elétron-pósitron preciso, circular ou linear (2), podemos detectar coisas além do Modelo Padrão que o LHC ainda não consegue detectar. No mundo da física, uma versão maior do LHC com uma circunferência de até 100 km foi proposta há muito tempo. Isso daria energias de colisão mais altas, que, de acordo com muitos físicos, finalmente sinalizariam novos fenômenos. Porém, trata-se de um investimento extremamente caro, e a construção de um gigante apenas no princípio - "vamos construir e ver o que ele vai nos mostrar" levanta muitas dúvidas.

2. Colisor linear de léptons - visualização

Existem dois tipos de abordagem para problemas na ciência física. A primeira é uma abordagem complexa, que consiste no desenho estreito de um experimento ou observatório para resolver um problema específico. A segunda abordagem é chamada de método da força bruta.que desenvolve um experimento ou observatório universal de empurrar limites para explorar o universo de uma maneira completamente nova do que nossas abordagens anteriores. O primeiro é mais bem orientado no Modelo Padrão. O segundo permite encontrar vestígios de algo mais, mas, infelizmente, esse algo não está exatamente definido. Assim, ambos os métodos têm suas desvantagens.

Procure a chamada Teoria de Tudo (TUT), o santo graal da física, deve ser colocada na segunda categoria, pois na maioria das vezes se trata de encontrar energias cada vez mais altas (3), nas quais as forças de natureza eventualmente se combinam em uma interação.

3. Energias necessárias para uma unificação hipotética de interações

Neutrino Nisforn

Recentemente, a ciência tornou-se cada vez mais focada em áreas mais interessantes, como a pesquisa de neutrinos, sobre a qual publicamos recentemente um extenso relatório no MT. Em fevereiro de 2020, o Astrophysical Journal publicou uma publicação sobre a descoberta de neutrinos de alta energia de origem desconhecida na Antártida. Além do conhecido experimento, também foi realizada pesquisa no continente gelado sob o codinome ANITA (), consistindo no lançamento de um balão com um sensor ondas de rádio.

Ambos e ANITA foram projetados para procurar ondas de rádio de neutrinos de alta energia colidindo com a matéria sólida que compõe o gelo. Avi Loeb, presidente do Departamento de Astronomia de Harvard, explicou no site do Salon: “Os eventos detectados pelo ANITA certamente parecem uma anomalia porque não podem ser explicados como neutrinos de fontes astrofísicas. (...) Pode ser algum tipo de partícula que interage mais fracamente que um neutrino com a matéria comum. Suspeitamos que tais partículas existam como matéria escura. Mas o que torna os eventos ANITA tão enérgicos?”

Os neutrinos são as únicas partículas conhecidas que violam o Modelo Padrão. De acordo com o Modelo Padrão de partículas elementares, devemos ter três tipos de neutrinos (eletrônico, múon e tau) e três tipos de antineutrinos, e após sua formação eles devem ser estáveis ​​e inalterados em suas propriedades. Desde a década de 60, quando surgiram os primeiros cálculos e medições de neutrinos produzidos pelo Sol, percebemos que havia um problema. Sabíamos quantos neutrinos de elétrons foram formados em núcleo solar. Mas quando medimos quantos chegaram, vimos apenas um terço do número previsto.

Ou algo está errado com nossos detectores, ou algo está errado com nosso modelo do Sol, ou algo está errado com os próprios neutrinos. Experimentos com reatores rapidamente refutaram a noção de que algo estava errado com nossos detectores (4). Eles funcionaram como esperado e seu desempenho foi muito bem avaliado. Os neutrinos que detectamos foram registrados proporcionalmente ao número de neutrinos que chegaram. Por décadas, muitos astrônomos argumentaram que nosso modelo solar está errado.

4. Imagens de eventos de neutrinos na radiação Cherenkov do detector Super Kamiokande

Claro, havia outra possibilidade exótica que, se fosse verdade, mudaria nossa compreensão do universo do que o Modelo Padrão previu. A ideia é que os três tipos de neutrinos que conhecemos realmente têm massa, não magro, e que eles podem se misturar (flutuar) para mudar de sabor se tiverem energia suficiente. Se o neutrino for acionado eletronicamente, ele pode mudar ao longo do caminho para muão i taonovmas isso só é possível quando tem massa. Os cientistas estão preocupados com o problema dos neutrinos destros e canhotos. Pois se você não pode distingui-lo, você não pode distinguir se é uma partícula ou uma antipartícula.

Um neutrino pode ser sua própria antipartícula? Não de acordo com o modelo padrão usual. Férmionsem geral, eles não devem ser suas próprias antipartículas. Um férmion é qualquer partícula com uma rotação de ± ½. Esta categoria inclui todos os quarks e léptons, incluindo neutrinos. No entanto, existe um tipo especial de férmions, que até agora existe apenas em teoria - o férmion de Majorana, que é sua própria antipartícula. Se existisse, algo especial poderia estar acontecendo... livre de neutrinos decaimento beta duplo. E aqui está uma chance para os experimentadores que procuram essa lacuna há muito tempo.

Em todos os processos observados envolvendo neutrinos, essas partículas exibem uma propriedade que os físicos chamam de canhoto. Os neutrinos destros, que são a extensão mais natural do Modelo Padrão, não estão em lugar algum. Todas as outras partículas MS têm uma versão destra, mas os neutrinos não. Por quê? A análise mais recente e extremamente abrangente de uma equipe internacional de físicos, incluindo o Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia, fez pesquisas sobre esse assunto. Os cientistas acreditam que a falta de observação de neutrinos destros poderia provar que eles são férmions de Majorana. Se fossem, então sua versão do lado direito é extremamente massiva, o que explica a dificuldade de detecção.

No entanto, ainda não sabemos se os neutrinos são antipartículas. Não sabemos se eles obtêm sua massa da ligação muito fraca do bóson de Higgs, ou se a obtêm através de algum outro mecanismo. E não sabemos, talvez o setor de neutrinos seja muito mais complexo do que pensamos, com neutrinos estéreis ou pesados ​​à espreita no escuro.

Átomos e outras anomalias

Na física de partículas elementares, além dos neutrinos da moda, existem outras áreas de pesquisa menos conhecidas nas quais a "nova física" pode brilhar. Cientistas, por exemplo, propuseram recentemente um novo tipo de partícula subatômica para explicar a enigmática desintegração como (5), um caso especial de uma partícula de méson consistindo de um quark i um antiquário. Quando as partículas de kaon decaem, uma pequena fração delas sofre mudanças que surpreenderam os cientistas. O estilo desse decaimento pode indicar um novo tipo de partícula ou uma nova força física em ação. Isso está fora do escopo do Modelo Padrão.

Existem mais experimentos para encontrar lacunas no Modelo Padrão. Estes incluem a busca do múon g-2. Há quase cem anos, o físico Paul Dirac previu o momento magnético de um elétron usando g, um número que determina as propriedades de spin de uma partícula. Então as medições mostraram que "g" é ligeiramente diferente de 2, e os físicos começaram a usar a diferença entre o valor real de "g" e 2 para estudar a estrutura interna das partículas subatômicas e as leis da física em geral. Em 1959, o CERN em Genebra, na Suíça, realizou o primeiro experimento que mediu o valor g-2 de uma partícula subatômica chamada múon, ligada a um elétron, mas instável e 207 vezes mais pesada que uma partícula elementar.

O Laboratório Nacional Brookhaven em Nova York iniciou seu próprio experimento e publicou os resultados de seu experimento g-2 em 2004. A medição não foi o que o Modelo Padrão previu. No entanto, o experimento não coletou dados suficientes para a análise estatística provar conclusivamente que o valor medido era de fato diferente e não apenas uma flutuação estatística. Outros centros de pesquisa estão agora realizando novos experimentos com g-2, e provavelmente saberemos os resultados em breve.

Há algo mais intrigante do que isso Anomalias de Kaon i muão. Em 2015, um experimento sobre o decaimento do berílio 8Be mostrou uma anomalia. Cientistas na Hungria usam seu detector. A propósito, porém, eles descobriram, ou pensaram ter descoberto, o que sugere a existência de uma quinta força fundamental da natureza.

Físicos da Universidade da Califórnia se interessaram pelo estudo. Eles sugeriram que o fenômeno chamado anomalia atômica, foi causado por uma partícula completamente nova, que supostamente carregava a quinta força da natureza. É chamado de X17 porque acredita-se que sua massa correspondente seja de quase 17 milhões de elétron-volts. Isso é 30 vezes a massa de um elétron, mas menor que a massa de um próton. E a maneira como o X17 se comporta com um próton é uma de suas características mais estranhas - ou seja, ele não interage com um próton. Em vez disso, ele interage com um elétron ou nêutron carregado negativamente, que não tem carga alguma. Isso torna difícil encaixar a partícula X17 em nosso modelo padrão atual. Os bósons estão associados a forças. Os glúons estão associados à força forte, os bósons à força fraca e os fótons ao eletromagnetismo. Existe até um bóson hipotético para a gravidade chamado gráviton. Como bóson, o X17 terá uma força própria, como aquela que até agora permaneceu um mistério para nós e poderia ser.

O universo e sua direção preferida?

Em um artigo publicado em abril na revista Science Advances, cientistas da Universidade de New South Wales, em Sydney, relataram que novas medições de luz emitida por um quasar a 13 bilhões de anos-luz de distância confirmam estudos anteriores que encontraram pequenas variações na estrutura constante fina. Do universo. Professor John Webb da UNSW (6) explica que a constante de estrutura fina "é uma quantidade que os físicos usam como medida da força eletromagnética". força eletromagnética mantém elétrons ao redor dos núcleos em cada átomo no universo. Sem ela, toda a matéria desmoronaria. Até recentemente, era considerado uma força constante no tempo e no espaço. Mas em sua pesquisa nas últimas duas décadas, o professor Webb notou uma anomalia na estrutura sólida e fina na qual a força eletromagnética, medida em uma direção escolhida no universo, sempre parece ser ligeiramente diferente.

"" explica Webb. As inconsistências não apareceram nas medições da equipe australiana, mas na comparação de seus resultados com muitas outras medições de luz quasar feitas por outros cientistas.

"" diz o professor Webb. "". Em sua opinião, os resultados parecem sugerir que pode haver uma direção preferencial no universo. Em outras palavras, o universo teria, em certo sentido, uma estrutura dipolar.

"" Diz o cientista sobre as anomalias marcadas.

Isso é mais uma coisa: em vez do que se pensava ser uma distribuição aleatória de galáxias, quasares, nuvens de gás e planetas com vida, o Universo de repente tem uma contraparte norte e sul. O professor Webb está, no entanto, disposto a admitir que os resultados de medições feitas por cientistas em diferentes estágios, usando diferentes tecnologias e de diferentes lugares da Terra, são de fato uma enorme coincidência.

Webb aponta que, se houver direcionalidade no universo, e se o eletromagnetismo for ligeiramente diferente em certas regiões do cosmos, os conceitos mais fundamentais por trás de grande parte da física moderna precisarão ser revisitados. "", fala. O modelo é baseado na teoria da gravidade de Einstein, que assume explicitamente a constância das leis da natureza. E se não, então... o espírito é de tirar o fôlego com a ideia de virar todo o edifício da física de cabeça para baixo.