La nouvelle physique transparaît de nombreux endroits

Toutes les modifications possibles que nous aimerions apporter au modèle standard de la physique (1) ou à la relativité générale, nos deux meilleures théories (bien qu'incompatibles) de l'univers, sont déjà très limitées. En d'autres termes, vous ne pouvez pas changer grand-chose sans nuire à l'ensemble.

Le fait est qu'il y a aussi des résultats et des phénomènes qui ne peuvent pas être expliqués sur la base des modèles que nous connaissons. Alors devrions-nous faire tout notre possible pour rendre tout inexplicable ou incohérent à tout prix cohérent avec les théories existantes, ou devrions-nous en chercher de nouvelles ? C'est une des questions fondamentales de la physique moderne.

Le modèle standard de la physique des particules a expliqué avec succès toutes les interactions connues et découvertes entre les particules qui n'ont jamais été observées. L'univers est composé de les quarks, leptonov et les bosons de jauge, qui transmettent trois des quatre forces fondamentales de la nature et donnent aux particules leur masse au repos. Il y a aussi la relativité générale, notre, malheureusement, pas une théorie quantique de la gravité, qui décrit la relation entre l'espace-temps, la matière et l'énergie dans l'univers.

La difficulté d'aller au-delà de ces deux théories est que si vous essayez de les modifier en introduisant de nouveaux éléments, concepts et quantités, vous obtiendrez des résultats qui contredisent les mesures et observations que nous avons déjà. Il convient également de rappeler que si vous souhaitez aller au-delà de notre cadre scientifique actuel, la charge de la preuve est énorme. En revanche, difficile de ne pas en attendre autant de la part de quelqu'un qui sape des modèles éprouvés depuis des décennies.

Face à de telles exigences, il n'est pas surprenant que presque personne n'essaie de remettre complètement en question le paradigme existant en physique. Et si c'est le cas, il n'est pas du tout pris au sérieux, car il trébuche vite sur de simples vérifications. Donc, si nous voyons des trous potentiels, alors ce ne sont que des réflecteurs, signalant que quelque chose brille quelque part, mais il n'est pas clair si cela vaut la peine d'y aller.

La physique connue ne peut pas gérer l'univers

Des exemples du chatoiement de ce « complètement nouveau et différent » ? Eh bien, par exemple, les observations du taux de recul, qui semblent incompatibles avec l'affirmation selon laquelle l'Univers n'est rempli que de particules du modèle standard et obéit à la théorie générale de la relativité. Nous savons que les sources individuelles de gravité, les galaxies, les amas de galaxies et même la grande toile cosmique ne suffisent peut-être pas à expliquer ce phénomène. Nous savons que, bien que le modèle standard stipule que la matière et l'antimatière doivent être créées et détruites en quantités égales, nous vivons dans un univers composé principalement de matière avec une petite quantité d'antimatière. En d'autres termes, nous voyons que la "physique connue" ne peut pas expliquer tout ce que nous voyons dans l'univers.

De nombreuses expériences ont donné des résultats inattendus qui, s'ils étaient testés à un niveau supérieur, pourraient être révolutionnaires. Même la soi-disant anomalie atomique indiquant l'existence de particules peut être une erreur expérimentale, mais elle peut aussi être le signe d'un dépassement du modèle standard. Différentes méthodes de mesure de l'univers donnent des valeurs différentes pour le taux de son expansion - un problème que nous avons examiné en détail dans l'un des numéros récents de MT.

Cependant, aucune de ces anomalies ne donne de résultats suffisamment probants pour être considérée comme un signe indiscutable d'une nouvelle physique. Tout ou partie de ceux-ci peuvent simplement être des fluctuations statistiques ou un instrument mal calibré. Beaucoup d'entre eux peuvent indiquer une nouvelle physique, mais ils peuvent tout aussi bien être expliqués à l'aide de particules et de phénomènes connus dans le contexte de la relativité générale et du modèle standard.

Nous prévoyons d'expérimenter, en espérant des résultats et des recommandations plus clairs. Nous verrons peut-être bientôt si l'énergie noire a une valeur constante. Basé sur des études de galaxies prévues par l'observatoire Vera Rubin et des données sur les supernovae distantes qui seront disponibles à l'avenir. télescope nancy grace, précédemment WFIRST, nous devons savoir si l'énergie noire évolue avec le temps à moins de 1 %. Si c'est le cas, alors notre modèle cosmologique "standard" devra être changé. Il est possible que l'antenne de l'interféromètre laser spatial (LISA) en termes de plan nous réserve également des surprises. Bref, nous comptons sur les véhicules d'observation et les expériences que nous prévoyons.

Nous travaillons également toujours dans le domaine de la physique des particules, espérant trouver des phénomènes en dehors du modèle, comme une mesure plus précise des moments magnétiques de l'électron et du muon - s'ils ne concordent pas, une nouvelle physique apparaît. Nous travaillons pour comprendre comment ils fluctuent neutrino – ici aussi, une nouvelle physique transparaît. Et si nous construisons un collisionneur électron-positon précis, circulaire ou linéaire (2), nous pouvons détecter des choses au-delà du modèle standard que le LHC ne peut pas encore détecter. Dans le monde de la physique, une version plus grande du LHC avec une circonférence allant jusqu'à 100 km est proposée depuis longtemps. Cela donnerait des énergies de collision plus élevées, ce qui, selon de nombreux physiciens, signalerait enfin de nouveaux phénomènes. Cependant, il s'agit d'un investissement extrêmement coûteux, et la construction d'un géant uniquement sur le principe - "construisons-le et voyons ce qu'il nous montrera" soulève beaucoup de doutes.

2. Collisionneur de leptons linéaire - visualisation

Il existe deux types d'approche des problèmes en sciences physiques. La première est une approche complexe, qui consiste en la conception étroite d'une expérience ou d'un observatoire pour résoudre un problème spécifique. La deuxième approche est appelée la méthode de la force brute.qui développe une expérience ou un observatoire universel qui repousse les limites pour explorer l'univers d'une manière complètement nouvelle par rapport à nos approches précédentes. Le premier est mieux orienté dans le Modèle Standard. La seconde vous permet de trouver des traces de quelque chose de plus, mais, malheureusement, ce quelque chose n'est pas exactement défini. Ainsi, les deux méthodes ont leurs inconvénients.

Cherchez la soi-disant Théorie du Tout (TUT), le Saint Graal de la physique, devrait être placée dans la deuxième catégorie, car le plus souvent, il s'agit de trouver des énergies de plus en plus élevées (3), auxquelles les forces de la nature finit par se combiner en une seule interaction.

3. Énergies requises pour une hypothétique unification des interactions

Neutrino de Nisforn

Récemment, la science s'est concentrée de plus en plus sur des domaines plus intéressants, tels que la recherche sur les neutrinos, sur laquelle nous avons récemment publié un rapport détaillé dans MT. En février 2020, l'Astrophysical Journal a publié une publication sur la découverte de neutrinos de haute énergie d'origine inconnue en Antarctique. En plus de l'expérience bien connue, des recherches ont également été menées sur le continent glacial sous le nom de code ANITA (), consistant en la libération d'un ballon avec un capteur les ondes radio.

Tant et ANITA ont été conçus pour rechercher les ondes radio des neutrinos de haute énergie entrant en collision avec la matière solide qui constitue la glace. Avi Loeb, président du département d'astronomie de Harvard, a expliqué sur le site Web du Salon : « Les événements détectés par l'ANITA semblent certainement être une anomalie car ils ne peuvent pas être expliqués comme des neutrinos provenant de sources astrophysiques. (...) Il pourrait s'agir d'une sorte de particule qui interagit plus faiblement qu'un neutrino avec la matière ordinaire. Nous soupçonnons que de telles particules existent sous forme de matière noire. Mais qu'est-ce qui rend les événements ANITA si énergiques ? »

Les neutrinos sont les seules particules connues à violer le modèle standard. Selon le modèle standard des particules élémentaires, nous devons avoir trois types de neutrinos (électronique, muon et tau) et trois types d'antineutrinos, et après leur formation, ils doivent être stables et inchangés dans leurs propriétés. Depuis les années 60, quand sont apparus les premiers calculs et mesures des neutrinos produits par le Soleil, on s'est rendu compte qu'il y avait un problème. Nous savions combien de neutrinos électroniques se formaient dans noyau solaire. Mais lorsque nous avons mesuré le nombre d'arrivées, nous n'avons vu qu'un tiers du nombre prévu.

Soit quelque chose ne va pas avec nos détecteurs, soit quelque chose ne va pas avec notre modèle du Soleil, soit quelque chose ne va pas avec les neutrinos eux-mêmes. Les expériences avec les réacteurs ont rapidement réfuté l'idée que quelque chose n'allait pas avec nos détecteurs (4). Ils ont travaillé comme prévu et leur performance a été très bien notée. Les neutrinos que nous avons détectés ont été enregistrés proportionnellement au nombre de neutrinos arrivant. Pendant des décennies, de nombreux astronomes ont affirmé que notre modèle solaire était erroné.

4. Images d'événements de neutrinos dans le rayonnement Cherenkov du détecteur Super Kamiokande

Bien sûr, il y avait une autre possibilité exotique qui, si elle était vraie, changerait notre compréhension de l'univers par rapport à ce que le modèle standard avait prédit. L'idée est que les trois types de neutrinos que nous connaissons ont en fait une masse, pas maigre, et qu'ils peuvent se mélanger (fluctuer) pour changer de saveurs s'ils ont assez d'énergie. Si le neutrino est déclenché électroniquement, il peut changer en cours de route pour muon i taonovmais cela n'est possible que lorsqu'il a une masse. Les scientifiques sont préoccupés par le problème des neutrinos droitiers et gauchers. Car si vous ne pouvez pas le distinguer, vous ne pouvez pas distinguer s'il s'agit d'une particule ou d'une antiparticule.

Un neutrino peut-il être sa propre antiparticule ? Pas selon le modèle standard habituel. fermionen général, ils ne doivent pas être leurs propres antiparticules. Un fermion est une particule avec une rotation de ± XNUMX/XNUMX. Cette catégorie comprend tous les quarks et les leptons, y compris les neutrinos. Cependant, il existe un type spécial de fermions, qui n'existe jusqu'à présent qu'en théorie - le fermion de Majorana, qui est sa propre antiparticule. S'il existait, quelque chose de spécial pourrait se produire... sans neutrinos double désintégration bêta. Et voici une chance pour les expérimentateurs qui recherchent depuis longtemps un tel écart.

Dans tous les processus observés impliquant des neutrinos, ces particules présentent une propriété que les physiciens appellent la gaucherie. Les neutrinos droitiers, qui sont l'extension la plus naturelle du modèle standard, sont introuvables. Toutes les autres particules MS ont une version droite, mais pas les neutrinos. Pourquoi? La dernière analyse extrêmement complète d'une équipe internationale de physiciens, dont l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, a fait des recherches sur cette question. Les scientifiques pensent que le manque d'observation des neutrinos droitiers pourrait prouver qu'il s'agit de fermions de Majorana. S'ils l'étaient, alors leur version droite est extrêmement massive, ce qui explique la difficulté de détection.

Pourtant, nous ne savons toujours pas si les neutrinos sont eux-mêmes des antiparticules. Nous ne savons pas s'ils obtiennent leur masse de la liaison très faible du boson de Higgs, ou s'ils l'obtiennent par un autre mécanisme. Et nous ne savons pas, peut-être que le secteur des neutrinos est beaucoup plus complexe que nous ne le pensons, avec des neutrinos stériles ou lourds qui se cachent dans l'obscurité.

Atomes et autres anomalies

En physique des particules élémentaires, outre les neutrinos à la mode, il existe d'autres domaines de recherche moins connus à partir desquels la "nouvelle physique" peut rayonner. Les scientifiques, par exemple, ont récemment proposé un nouveau type de particule subatomique pour expliquer l'énigmatique désintégration comme (5), un cas particulier d'une particule de méson constituée de un quark i un antiquaire. Lorsque les particules de kaon se désintègrent, une petite fraction d'entre elles subissent des changements qui ont surpris les scientifiques. Le style de cette désintégration peut indiquer un nouveau type de particule ou une nouvelle force physique à l'œuvre. Cela sort du cadre du modèle standard.

Il y a plus d'expériences pour trouver des lacunes dans le modèle standard. Celles-ci incluent la recherche du muon g-2. Il y a près de cent ans, le physicien Paul Dirac a prédit le moment magnétique d'un électron en utilisant g, un nombre qui détermine les propriétés de spin d'une particule. Ensuite, les mesures ont montré que "g" est légèrement différent de 2, et les physiciens ont commencé à utiliser la différence entre la valeur réelle de "g" et 2 pour étudier la structure interne des particules subatomiques et les lois de la physique en général. En 1959, le CERN à Genève, en Suisse, a mené la première expérience mesurant la valeur g-2 d'une particule subatomique appelée muon, liée à un électron mais instable et 207 fois plus lourde qu'une particule élémentaire.

Le laboratoire national de Brookhaven à New York a lancé sa propre expérience et a publié les résultats de leur expérience g-2 en 2004. La mesure n'était pas celle prévue par le modèle standard. Cependant, l'expérience n'a pas collecté suffisamment de données pour une analyse statistique pour prouver de manière concluante que la valeur mesurée était en effet différente et pas seulement une fluctuation statistique. D'autres centres de recherche mènent actuellement de nouvelles expériences avec le g-2, et nous connaîtrons probablement les résultats bientôt.

Il y a quelque chose de plus intrigant que cela Anomalies kaoniques i muon. En 2015, une expérience sur la désintégration du béryllium 8Be a montré une anomalie. Des scientifiques hongrois utilisent leur détecteur. Incidemment, cependant, ils ont découvert, ou ont cru découvrir, ce qui suggère l'existence d'une cinquième force fondamentale de la nature.

Des physiciens de l'Université de Californie se sont intéressés à l'étude. Ils ont suggéré que le phénomène appelé anomalie atomique, a été causée par une particule complètement nouvelle, censée transporter la cinquième force de la nature. Il est appelé X17 car sa masse correspondante est estimée à près de 17 millions d'électron-volts. C'est 30 fois la masse d'un électron, mais moins que la masse d'un proton. Et la façon dont X17 se comporte avec un proton est l'une de ses caractéristiques les plus étranges - c'est-à-dire qu'il n'interagit pas du tout avec un proton. Au lieu de cela, il interagit avec un électron ou un neutron chargé négativement, qui n'a aucune charge. Cela rend difficile l'intégration de la particule X17 dans notre modèle standard actuel. Les bosons sont associés à des forces. Les gluons sont associés à la force forte, les bosons à la force faible et les photons à l'électromagnétisme. Il existe même un boson hypothétique pour la gravité appelé graviton. En tant que boson, X17 portera une force qui lui est propre, comme celle qui jusqu'à présent a été un mystère pour nous et pourrait l'être.

L'univers et sa direction préférée ?

Dans un article publié en avril dans la revue Science Advances, des scientifiques de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud à Sydney ont rapporté que de nouvelles mesures de la lumière émise par un quasar à 13 milliards d'années-lumière confirment des études antérieures qui ont trouvé de petites variations dans la fine structure constante de l'univers. Professeur John Webb de l'UNSW (6) explique que la constante de structure fine "est une quantité que les physiciens utilisent comme mesure de la force électromagnétique". force électromagnétique maintient les électrons autour des noyaux de chaque atome de l'univers. Sans elle, toute matière s'effondrerait. Jusqu'à récemment, elle était considérée comme une force constante dans le temps et dans l'espace. Mais dans ses recherches au cours des deux dernières décennies, le professeur Webb a remarqué une anomalie dans la structure fine solide dans laquelle la force électromagnétique, mesurée dans une direction choisie dans l'univers, semble toujours être légèrement différente.

"" explique Webb. Les incohérences ne sont pas apparues dans les mesures de l'équipe australienne, mais dans la comparaison de leurs résultats avec de nombreuses autres mesures de la lumière quasar par d'autres scientifiques.

"" dit le professeur Webb. "". À son avis, les résultats semblent suggérer qu'il pourrait y avoir une direction préférée dans l'univers. En d'autres termes, l'univers aurait en quelque sorte une structure dipolaire.

"" Dit le scientifique à propos des anomalies marquées.

C'est une chose de plus : au lieu de ce que l'on pensait être une propagation aléatoire de galaxies, de quasars, de nuages ​​de gaz et de planètes vivantes, l'univers a soudainement une contrepartie nord et sud. Le professeur Webb est néanmoins prêt à admettre que les résultats de mesures effectuées par des scientifiques à différentes étapes en utilisant différentes technologies et à différents endroits sur la Terre sont en fait une énorme coïncidence.

Webb souligne que s'il y a une directionnalité dans l'univers, et si l'électromagnétisme s'avère être légèrement différent dans certaines régions du cosmos, les concepts les plus fondamentaux derrière une grande partie de la physique moderne devront être revisités. "", parle. Le modèle est basé sur la théorie de la gravité d'Einstein, qui suppose explicitement la constance des lois de la nature. Et si ce n'est pas le cas, alors ... l'idée de transformer tout l'édifice de la physique est à couper le souffle.