新物理从许多地方闪耀
我们想要对物理标准模型 (1) 或广义相对论做出的任何可能的改变，我们两个最好的（尽管不相容的）宇宙理论，已经非常有限。 换句话说，你不可能在不破坏整体的情况下做出太大的改变。
事实是，也有一些结果和现象无法根据我们已知的模型来解释。 那么，我们应该不惜一切代价让一切变得莫名其妙或不一致，与现有理论保持一致，还是应该寻找新的理论？ 这是现代物理学的基本问题之一。
粒子物理学的标准模型已经成功地解释了所有已知和发现的粒子之间的相互作用。 宇宙是由 夸克, 勒普托诺夫 和规范玻色子，它传递自然界中四种基本力中的三种，并赋予粒子静止质量。 还有广义相对论，不幸的是，我们的引力不是量子理论，它描述了宇宙中时空、物质和能量之间的关系。
超越这两种理论的困难在于，如果你试图通过引入新的元素、概念和数量来改变它们，你会得到与我们已有的测量和观察相矛盾的结果。 还值得记住的是，如果你想超越我们目前的科学框架，举证责任是巨大的。 另一方面，对于那些破坏几十年来久经考验的模型的人来说，很难不抱太大希望。
面对这样的要求，几乎没有人试图完全挑战物理学中现有的范式也就不足为奇了。 如果确实如此，它根本不会被认真对待，因为它很快就会偶然发现简单的检查。 所以，如果我们看到潜在的洞，那么这些只是反射器，表明某处有东西在发光，但还不清楚是否值得去那里。
已知的物理学无法处理宇宙
这种“全新的和不同的”闪光的例子？ 好吧，例如，对反冲率的观察，这似乎与宇宙仅充满标准模型的粒子并服从广义相对论的说法不一致。 我们知道，单独的引力源、星系、星系团，甚至是巨大的宇宙网，也许都不足以解释这种现象。 我们知道，虽然标准模型指出物质和反物质应该等量地产生和破坏，但我们生活在一个主要由物质和少量反物质组成的宇宙中。 换句话说，我们看到“已知物理学”无法解释我们在宇宙中看到的一切。
许多实验产生了意想不到的结果，如果在更高水平上进行测试，可能是革命性的。 即使是表明粒子存在的所谓原子异常也可能是实验错误，但也可能是超出标准模型的标志。 测量宇宙的不同方法对其膨胀率给出不同的值 - 我们在最近的一期 MT 中详细考虑了这个问题。
然而，这些异常都没有给出足够令人信服的结果，被认为是新物理学的无可争议的标志。 任何或所有这些都可能只是统计波动或校准不正确的仪器。 它们中的许多可能指向新的物理学，但它们可以很容易地在广义相对论和标准模型的背景下使用已知的粒子和现象来解释。
我们计划进行实验，希望得到更清晰的结果和建议。 我们可能很快就会看到暗能量是否具有恒定值。 基于维拉鲁宾天文台计划的星系研究以及未来将提供的遥远超新星数据。 南希格蕾丝望远镜，之前的 WFIRST，我们需要找出暗能量是否会随时间演化到 1% 以内。 如果是这样，那么我们的“标准”宇宙学模型将不得不改变。 说不定规划上的空间激光干涉仪天线（LISA）也会给我们带来惊喜。 简而言之，我们指望我们正在计划的观察车辆和实验。
我们还在粒子物理学领域工作，希望找到模型之外的现象，比如更准确地测量电子和μ子的磁矩——如果他们不同意，就会出现新的物理学。 我们正在努力弄清楚它们是如何波动的 中微子 – 在这里，新物理学也大放异彩。 如果我们建造一个精确的电子-正电子对撞机，圆形或线性 (2)，我们就可以检测到大型强子对撞机尚无法检测到的超出标准模型的事物。 在物理学界，早就提出了周长可达 100 公里的更大版本的大型强子对撞机。 这将产生更高的碰撞能量，根据许多物理学家的说法，这最终将预示着新的现象。 然而，这是一项极其昂贵的投资，仅根据“让我们建造它，看看它会向我们展示什么”的原则建造一个巨人引起了很多质疑。
2. 线性轻子对撞机——可视化
物理科学中有两种解决问题的方法。 第一种是复杂的方法，其中包括用于解决特定问题的实验或观察站的狭窄设计。 第二种方法称为蛮力法。谁开发了一个通用的、突破边界的实验或天文台，以一种比我们以前的方法全新的方式探索宇宙。 第一个在标准模型中更好地定位。 第二个允许你找到更多东西的痕迹，但不幸的是，这个东西没有完全定义。 因此，这两种方法都有其缺点。
寻找所谓的万物理论（TUT），物理学的圣杯，应该放在第二类中，因为它往往归结为寻找越来越高的能量（3），在这种能量下自然最终结合成一种相互作用。
3. 假设的相互作用统一所需的能量
尼斯福恩中微子
最近，科学越来越关注更有趣的领域，例如中微子研究，我们最近在 MT 上发表了一份详尽的报告。 2020 年 XNUMX 月，《天体物理学杂志》发表了一篇关于在南极洲发现来历不明的高能中微子的出版物。 除了著名的实验外，还在代号为 ANITA () 的寒冷大陆上进行了研究，包括释放带有传感器的气球 无线电波.
两者和 ANITA 都被设计用于搜索来自高能中微子与构成冰的固体物质碰撞的无线电波。 哈佛天文学系主任阿维·勒布在沙龙网站上解释说：“ANITA 探测到的事件当然看起来像是异常现象，因为它们不能被解释为来自天体物理学的中微子。 (...) 它可能是某种粒子，它与普通物质的相互作用比中微子弱。 我们怀疑这些粒子以暗物质的形式存在。 但是，是什么让 ANITA 活动如此充满活力？”
中微子是唯一已知的违反标准模型的粒子。 根据基本粒子的标准模型，我们必须有三种类型的中微子（电子、μ子和τ）和三种类型的反中微子，并且它们形成后的性质必须是稳定不变的。 自 60 年代以来，当首次计算和测量太阳产生的中微子时，我们意识到存在问题。 我们知道有多少电子中微子形成于 太阳核心. 但是当我们测量有多少到达时，我们只看到了预测数字的三分之一。
要么是我们的探测器出了问题，要么是我们的太阳模型出了问题，或者是中微子本身出了问题。 反应堆实验很快反驳了我们的探测器有问题的观点 (4)。 他们按预期工作，他们的表现得到了很好的评价。 我们检测到的中微子与到达的中微子数量成正比。 几十年来，许多天文学家一直认为我们的太阳模型是错误的。
4. 超级神冈探测器切伦科夫辐射中微子事件的图像
当然，还有另一种奇异的可能性，如果它是真的，它将改变我们对标准模型所预测的宇宙的理解。 这个想法是我们知道的三种中微子实际上有质量，而不是 倾斜，并且如果它们有足够的能量，它们可以混合（波动）以改变口味。 如果中微子被电子触发，它可以沿途改变 介子 i 陶斯但这只有在它有质量时才有可能。 科学家们担心右手和左手中微子的问题。 因为如果你不能区分它，你就不能区分它是粒子还是反粒子。
中微子可以是它自己的反粒子吗？ 不是按照通常的标准模型。 费米子一般来说，它们不应该是它们自己的反粒子。 费米子是旋转为 ± XNUMX/XNUMX 的任何粒子。 此类别包括所有夸克和轻子，包括中微子。 然而，有一种特殊类型的费米子，迄今为止只存在于理论上——马约拉纳费米子，它是它自己的反粒子。 如果它存在，可能会发生一些特别的事情...... 无中微子 双β衰变. 而对于长期以来一直在寻找这种差距的实验者来说，这是一个机会。
在所有观察到的涉及中微子的过程中，这些粒子都表现出物理学家称之为左撇子的特性。 右手中微子是标准模型最自然的延伸，却无处可寻。 所有其他 MS 粒子都有右手版本，但中微子没有。 为什么？ 包括位于克拉科夫的波兰科学院核物理研究所 (IFJ PAN) 在内的国际物理学家团队进行了最新、极其全面的分析，对这个问题进行了研究。 科学家们认为，缺乏对右手中微子的观察可以证明它们是马约拉纳费米子。 如果是，那么它们的右侧版本非常庞大，这解释了检测的难度。
然而，我们仍然不知道中微子本身是否是反粒子。 我们不知道它们的质量是从希格斯玻色子的非常弱的结合中获得的，还是通过其他机制获得的。 而且我们不知道，也许中微子领域比我们想象的要复杂得多，无菌或重中微子潜伏在黑暗中。
原子和其他异常
在基本粒子物理学中，除了流行的中微子之外，还有其他一些鲜为人知的研究领域可以让“新物理学”大放异彩。 例如，科学家们最近提出了一种新型的亚原子粒子来解释神秘的 介子衰变 (5)，介子粒子的一个特例，由 一夸克 i 一位古董商. 当 kaon 粒子衰变时，其中一小部分会发生令科学家惊讶的变化。 这种衰变的方式可能表明一种新型粒子或一种新的物理力在起作用。 这超出了标准模型的范围。
有更多的实验可以找到标准模型中的差距。 其中包括寻找 g-2 μ 子。 大约一百年前，物理学家保罗·狄拉克用 g 预测了电子的磁矩，这个数字决定了粒子的自旋特性。 随后测量显示“g”与2略有不同，物理学家开始利用“g”实际值与2之间的差异来研究亚原子粒子的内部结构和一般物理定律。 1959 年，瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心进行了第一个实验，测量了称为 μ 子的亚原子粒子的 g-2 值，该粒子与电子结合但不稳定，比基本粒子重 207 倍。
纽约布鲁克海文国家实验室开始了自己的实验，并于 2 年公布了他们的 g-2004 实验结果。 测量结果不是标准模型所预测的。 但是，该实验没有收集到足够的数据进行统计分析，无法最终证明测量值确实不同，而不仅仅是统计波动。 其他研究中心现在正在用 g-2 进行新的实验，我们可能很快就会知道结果。
还有比这更耐人寻味的事 Kaon异常 i 介子. 2015年，铍8Be衰变实验出现异常。 匈牙利的科学家使用他们的探测器。 然而，顺便说一句，他们发现或认为他们发现了，这表明存在第五种自然基本力。
加州大学的物理学家对这项研究产生了兴趣。 他们认为这种现象称为 原子异常，是由一种全新的粒子引起的，它本应携带第五种自然力。 它之所以被称为 X17，是因为它的相应质量被认为接近 17 万电子伏特。 这是电子质量的 30 倍，但小于质子的质量。 X17 与质子的行为方式是其最奇怪的特征之一——也就是说，它根本不与质子相互作用。 相反，它与完全不带电荷的带负电的电子或中子相互作用。 这使得 X17 粒子很难适应我们当前的标准模型。 玻色子与力有关。 胶子与强力有关，玻色子与弱力有关，光子与电磁力有关。 甚至还有一种假设的引力玻色子，称为引力子。 作为玻色子，X17 将携带自己的力量，就像迄今为止对我们来说仍然是一个谜并且可能是这样的力量。
宇宙及其首选方向？
在今年 13 月发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，悉尼新南威尔士大学的科学家们报告说，对 XNUMX 亿光年外的类星体发出的光的新测量结果证实了先前的研究，即发现精细常数结构的微小变化宇宙的。 约翰·韦伯教授 来自新南威尔士大学 (6) 解释说，精细结构常数“是物理学家用来衡量电磁力的一个量”。 电磁力 在宇宙中每个原子的原子核周围保持电子。 没有它，所有的物质都会分崩离析。 直到最近，它还被认为是时间和空间上的恒定力量。 但在过去二十年的研究中，韦伯教授注意到固体精细结构中的一个异常现象，其中在宇宙中一个选定方向上测量的电磁力似乎总是略有不同。
“”韦伯解释道。 不一致并没有出现在澳大利亚团队的测量中，而是在将他们的结果与其他科学家对类星体光的许多其他测量进行比较时。
“”韦伯教授说。 “”。 在他看来，结果似乎表明宇宙中可能存在一个首选方向。 换句话说，宇宙在某种意义上将具有偶极子结构。
"" 科学家谈到标记的异常。
这是另外一件事：宇宙不再是被认为是随机分布的星系、类星体、气体云和有生命的行星，而是突然有了一个南北对应的宇宙。 尽管如此，韦伯教授还是愿意承认，科学家在不同阶段使用不同技术从地球上不同地方进行的测量结果实际上是一个巨大的巧合。
韦伯指出，如果宇宙中存在方向性，并且如果电磁学在宇宙的某些区域被证明略有不同，那么许多现代物理学背后的最基本概念将需要重新审视。 “”，说话。 该模型基于爱因斯坦的引力理论，该理论明确假设自然法则的恒定性。 如果没有，那么……转动整个物理大厦的想法令人叹为观止。
