Piąta siła - Fifth force

W fizyce istnieją cztery obserwowane oddziaływania fundamentalne (znane również jako siły fundamentalne), które stanowią podstawę wszystkich znanych oddziaływań w przyrodzie: siły grawitacyjne , elektromagnetyczne , silne jądrowe i słabe jądrowe . Niektóre teorie spekulatywne proponowały piątą siłę, aby wyjaśnić różne anomalne obserwacje, które nie pasują do istniejących teorii. Charakterystyka tej piątej siły zależy od postawionej hipotezy. Wielu postuluje siłę z grubsza o sile grawitacji ( tj . jest znacznie słabsza niż elektromagnetyzm lub siły jądrowe ) o zakresie od mniej niż milimetra do skali kosmologicznej. Inną propozycją jest nowa słaba siła, w której pośredniczą bozony W′ i Z′ .

Poszukiwania piątej siły nasiliły się w ostatnich dziesięcioleciach dzięki dwóm odkryciom kosmologicznym, które nie są wyjaśnione przez obecne teorie. Odkryto, że większość masy wszechświata odpowiada nieznanej formie materii zwanej ciemną materią . Większość fizyków uważa, że ​​ciemna materia składa się z nowych, nieodkrytych cząstek subatomowych, ale niektórzy uważają, że może to być związane z nieznaną fundamentalną siłą. Po drugie, niedawno odkryto również, że ekspansja wszechświata przyspiesza, co przypisuje się formie energii zwanej ciemną energią . Niektórzy fizycy spekulują, że forma ciemnej energii zwana kwintesencją może być piątą siłą.

Podejścia eksperymentalne

Testowanie nowej siły fundamentalnej może być trudne. Na przykład grawitacja jest tak słabą siłą, że oddziaływanie grawitacyjne między dwoma obiektami ma znaczenie tylko wtedy, gdy jeden z nich ma dużą masę. Dlatego do pomiaru oddziaływań grawitacyjnych między obiektami, które są małe w porównaniu z Ziemią, potrzebny jest bardzo czuły sprzęt. Podobnie nowa (lub „piąta”) siła podstawowa może być słaba, a zatem trudna do wykrycia. Niemniej jednak, pod koniec lat 80. XX w. o piątej sile, działającej w skali miejskiej (tj. o zasięgu około 100 metrów), zgłosili badacze (Fischbach i in. ), którzy ponownie analizowali wyniki Loránda Eötvösa z wcześniejszego stulecia. Uważano, że siła jest powiązana z hiperładowaniem . Przez wiele lat inne eksperymenty nie zdołały powtórzyć tego wyniku.

Można przeprowadzić co najmniej trzy rodzaje przeszukań, które zależą od rodzaju rozważanej siły i jej zasięgu.

Zasada równoważności

Jednym ze sposobów poszukiwania piątej siły są testy zasady silnej równoważności : jest to jeden z najpotężniejszych testów teorii grawitacji Einsteina, ogólnej teorii względności . Alternatywne teorie grawitacji, takie jak teoria Bransa-Dickego , mają piątą siłę – prawdopodobnie o nieskończonym zasięgu. Dzieje się tak, ponieważ oddziaływania grawitacyjne, w teoriach innych niż ogólna teoria względności, mają stopnie swobody inne niż „metryka” , która dyktuje krzywiznę przestrzeni, a różne rodzaje stopni swobody dają różne efekty. Na przykład pole skalarne nie może powodować zakrzywienia promieni świetlnych .

Piąta siła przejawiałaby się w oddziaływaniu na orbity Układu Słonecznego, zwanym efektem Nordtvedta . Jest to testowane za pomocą eksperymentu Lunar Laser Rangeling i interferometrii z bardzo długimi liniami bazowymi .

Dodatkowe wymiary

Innym rodzajem piątej siły, która pojawia się w teorii Kaluzy-Kleina , gdzie wszechświat ma dodatkowe wymiary , lub w teorii supergrawitacji lub strun, jest siła Yukawa , która jest przenoszona przez lekkie pole skalarne (tj. pole skalarne o długiej długości fali Comptona). , który określa zasięg). Wywołało to ostatnio duże zainteresowanie, ponieważ teoria supersymetrycznych dużych dodatkowych wymiarów – wymiarów o wielkości nieco mniejszej niż milimetr – skłoniła do eksperymentów w celu przetestowania grawitacji w tych bardzo małych skalach. Wymaga to niezwykle czułych eksperymentów, które szukają odchylenia od odwrotnego kwadratu prawa grawitacji na różnych odległościach. Zasadniczo szukają oznak, że interakcja z Yukawą rozpoczyna się w określonym czasie.

Australijscy naukowcy, próbując zmierzyć stałą grawitacyjną głęboko w szybie kopalnianym, stwierdzili rozbieżność między przewidywaną a zmierzoną wartością, przy czym zmierzona wartość była o dwa procent za mała. Doszli do wniosku, że wyniki można wytłumaczyć odpychającą piątą siłą o zasięgu od kilku centymetrów do kilometra. Podobne eksperymenty przeprowadzono na pokładzie okrętu podwodnego USS Dolphin (AGSS-555) , który był głęboko zanurzony. Kolejny eksperyment mierzący stałą grawitacyjną w głębokim otworze wiertniczym w grenlandzkiej pokrywie lodowej wykazał kilkuprocentowe rozbieżności, ale nie udało się wyeliminować geologicznego źródła obserwowanego sygnału.

Płaszcz Ziemi

Inny eksperyment wykorzystuje płaszcz Ziemi jako gigantyczny detektor cząstek, skupiając się na geoelektronach .

Zmienne cefeidy

Jain i in. (2012) przeanalizowali istniejące dane dotyczące tempa pulsacji ponad tysiąca cefeid gwiazd zmiennych w 25 galaktykach. Teoria sugeruje, że tempo pulsacji cefeid w galaktykach osłoniętych przed hipotetyczną piątą siłą przez sąsiednie gromady będzie miało inny wzór niż cefeidy, które nie są osłonięte. Nie byli w stanie znaleźć żadnej zmiany w teorii grawitacji Einsteina.

Inne podejścia

Niektóre eksperymenty wykorzystywały jezioro i wieżę, która jest 320 m wysokości. Obszerny przegląd dokonany przez Ephraima Fischbacha i Carricka Talmadge sugerował, że nie ma przekonujących dowodów na istnienie piątej siły, chociaż naukowcy wciąż jej poszukują. Artykuł Fischbach-Talmadge został napisany w 1992 roku i od tego czasu wyszły na jaw inne dowody, które mogą wskazywać na piątą siłę.

Powyższe eksperymenty poszukują piątej siły, która jest, podobnie jak grawitacja, niezależna od składu obiektu, tak aby wszystkie obiekty doświadczały siły proporcjonalnej do ich masy. Siły zależne od składu obiektu mogą być bardzo dokładnie testowane przez eksperymenty równowagi torsyjnej typu wynalezionego przez Loránda Eötvösa . Siły takie mogą zależeć na przykład od stosunku protonów do neutronów w jądrze atomowym, spinu jądrowego lub względnej ilości różnych rodzajów energii wiązania w jądrze (patrz wzór na masę półempiryczną ). Przeprowadzono poszukiwania z bardzo krótkich zakresów, przez skale miejskie, do skali Ziemi , Słońca i ciemnej materii w centrum galaktyki.

Roszczenia nowych cząstek

W 2015 roku Attila Krasznahorkay na ATOMKI , Węgierska Akademia Nauk, Instytut Badań Naukowych Jądrowej w Debreczyn , Węgry i kolegami zakładał istnienie nowego, lekkiego Higgsa tylko 34 razy cięższy od elektronu (17 MeV). Starając się znaleźć ciemny foton , węgierski zespół wystrzelił protony w cienkie tarcze litu-7 , które stworzyły niestabilne jądra berylu-8, które następnie rozpadły się i wypluły pary elektronów i pozytonów. Nadmiarowe rozpady zaobserwowano przy kącie rozwarcia 140° między e ⁺ i e ⁻ , a łączną energię 17 MeV, co wskazuje, że niewielka część berylu-8 zrzuci nadmiar energii w postaci nowej cząstki.

Grupa ATOMKI twierdziła, że ​​znalazła różne inne nowe cząstki wcześniej w 2016 roku, ale później porzuciła te twierdzenia, bez wyjaśnienia, co spowodowało fałszywe sygnały. Grupa została również oskarżona o wybieranie wyników, które wspierają nowe cząstki, jednocześnie odrzucając wyniki zerowe .

W listopadzie 2019 r. Krasznahorkay ogłosił, że on i jego zespół w ATOMKI z powodzeniem zaobserwowali te same anomalie w rozpadzie stabilnych atomów helu, które zaobserwowano w berylu-8, wzmacniając argumenty za istnieniem cząstki X17 .

Feng i in . (2016) zaproponowali, że protofobiczny (tj. „ignorujący protony”) bozon X o masie 16,7 MeV z tłumionymi sprzężeniami z protonami w stosunku do neutronów i elektronów oraz zasięgiem femtometrów może wyjaśnić dane. Siła ta może wyjaśniać anomalię mionu g − 2 i stanowić kandydata na ciemną materię. Prowadzonych jest kilka eksperymentów badawczych, które mają na celu zweryfikowanie lub obalenie tych wyników.

Zmodyfikowana grawitacja

Znany również jako grawitacja nielokalna . Niektórzy fizycy uważają, że teoria grawitacji Einsteina będzie musiała zostać zmodyfikowana – nie w małej skali, ale w dużych odległościach lub równoważnie przy małych przyspieszeniach. To zmieniłoby grawitację w siłę nielokalną. Wskazują one, że względu na ciemne i ciemne energii są niewyjaśnione do standardowego modelu z fizyki cząstek i sugerują, że pewne zmiany ciężkości jest to konieczne, być może wynikająca z modyfikowanych dynamiki Newtona lub zasady holograficznej . Różni się to zasadniczo od konwencjonalnych idei piątej siły, ponieważ rośnie ona w stosunku do grawitacji na większych odległościach. Większość fizyków uważa jednak, że ciemna materia i ciemna energia nie powstają ad hoc , ale są poparte dużą liczbą uzupełniających się obserwacji i opisane bardzo prostym modelem.

W kwietniu 2021 r. grupa Fermilab poinformowała o „mocnych dowodach na istnienie nieodkrytej cząstki subatomowej lub nowej siły”, która oddziałuje z mionami .

Zobacz też

Bibliografia