Nowa fizyka prześwituje z wielu miejsc
Rzecz w tym, że są też wyniki i zjawiska niedające się wyjaśnić na gruncie znanych nam modeli. Czy zatem musimy się bardziej postarać, aby wszystko to, co niewyjaśnione lub nie pasuje, za wszelką cenę wpasować do obowiązujących teorii, czy też jednak poszukać nowych? To jest jedno z podstawowych pytań współczesnej fizyki.
Standardowy Model Fizyki Cząstek Elementarnych z powodzeniem wyjaśnił każde znane, wykryte oddziaływanie pomiędzy cząstkami, jakie kiedykolwiek zaobserwowano. Wszechświat składa się z kwarków, leptonów i bozonów cechowania, które pośredniczą w trzech z czterech podstawowych sił w przyrodzie, a także bozonu Higgsa, który nadaje masę spoczynkową cząstkom. Istnieje również ogólna względność, nasza, niestety nie kwantowa, teoria grawitacji, która przedstawia związek pomiędzy czasoprzestrzenią a materią i energią we Wszechświecie.
Trudność z wyjściem poza te dwie teorie polega na tym, że jeśli próbuje się je modyfikować, wprowadzając nowe elementy, pojęcia i wielkości, kończy się to wynikami, które są sprzeczne z pomiarami i obserwacjami, które już posiadamy. Warto też pamiętać, jeśli chce się wyjść poza nasze obecne naukowe ramy, ciężar dowodu jest ogromny. Z drugiej strony - trudno jednak nie wymagać tak wiele od kogoś, kto podważa modele dowodzone i sprawdzane od dekad.
W obliczu takich wymagań nic dziwnego, że mało kto porywa się na całościowe podważenie obowiązującego w fizyce paradygmatu. A jeśli to robi, to na ogół nie jest traktowany poważnie, bo szybko potyka się na prostych weryfikacjach. Zatem, jeśli widzimy potencjalne wyłomy, to są to jedynie odbijające się niezbyt wyraźnie światełka, które sygnalizują, że coś gdzieś świeci, ale nie ma jasności, czy w ogóle warto tam się kierować.
Znana fizyka nie daje rady ze Wszechświatem
Przykłady migotania owego "zupełnie nowego i innego"? Ano np. obserwacje tempa oddalania się odległych galaktyk, które wydaje się niezgodne z twierdzeniem, że Wszechświat jest wypełniony jedynie cząsteczkami Modelu Standardowego i rządzi się ogólną teorii względności. Wiemy, że poszczególne źródła grawitacji, galaktyki, gromady galaktyk, a nawet wielka sieć kosmiczna, nie wystarczają, aby to zjawisko wyjaśnić, chyba że dodany zostanie nowy składnik, który nazywamy ciemną materia. Wiemy, że choć zgodnie z Modelem Standardowym materia i antymateria produkowane i niszczone powinny być w równych ilościach, to zamieszkujemy Wszechświat zbudowany w przeważającej części z materii, z jedynie śladową ilością antymaterii. Innymi słowy, widzimy, że "znana fizyka" nie umie wyjaśnić wszystkiego, co obserwujemy we Wszechświecie.
Wiele eksperymentów przyniosło nieoczekiwane rezultaty, które, jeśli potwierdzą się na wyższym poziomie, mogą być rewolucyjne. Choćby tzw. anomalia Atomki wskazująca na istnienie cząstek, które być może są błędem eksperymentalnym, ale mogą być również oznaką wyjścia poza Model Standardowy. Różne techniki pomiaru Wszechświata dają różne wartości szybkości jego ekspansji, problem, który szczegółowo analizowaliśmy w jednym ostatnich wydań MT.
Żadna jednak z tych anomalii nie daje na tyle solidnych wyników, aby była bezsprzecznym znakiem nowej fizyki. Każdy z nich lub wszystkie mogą być po prostu statystycznymi wahaniami lub niewłaściwie skalibrowanej aparatury. Wiele z nich może wskazywać na nową fizykę, ale równie łatwo mogą być wyjaśnione przez znane cząstki i zjawiska w kontekście ogólnej względności i Modelu Standardowego.
Planujemy eksperymenty, licząc na jaśniejsze wyniki i wskazówki. Być może wkrótce przekonamy się, czy ciemna energia ma stałą wartość. Na podstawie planowanych badań galaktyk, prowadzonych przez Obserwatorium Very Rubin i danych o odległych supernowych, które dostarczone mają być przez przyszły teleskop Nancy Grace, dawniej WFIRST, powinniśmy dowiedzieć się, czy ciemna energia ewoluuje w czasie, z dokładnością do 1 proc. Jeśli tak, to nasz "standardowy" model kosmologiczny będzie musiał zostać zmieniony. Możliwe, że również będąca w planie kosmiczna antena interferometru laserowego (LISA) przyniesie nam niespodzianki. Krótko mówiąc, liczymy na aparaty obserwacyjne i eksperymenty, które planujemy.
Pracujemy również wciąż w obszarze fizyki cząstek, licząc na znalezienie zjawisk wykraczających poza Model, np. nad lepszym pomiarem momentów magnetycznych elektronu i mionu - jeśli się nie zgadzają, to pojawia się nowa fizyka. Pracujemy nad odkryciem, jak oscylują neutrina - tu też prześwituje nowa fizyka. A jeśli zbudujemy precyzyjny zderzacz elektronowo-pozytonowy, kołowy lub liniowy (2), możemy wykryć rzeczy wykraczające poza Model Standardowy, których LHC jak do tej pory nie może znaleźć. W świecie fizyki od dłuższego czasu proponowana jest po prostu większa wersja LHC o nazwie Future Circular Collider o obwodzie do 100 km. Dałaby wyższe energie zderzeń, co według wielu fizyków przyniosłoby wreszcie sygnały nowych zjawisk. Jest to jednak niezwykle kosztowna inwestycja, a zbudowanie giganta tylko na zasadzie - "zbudujmy i zobaczymy, co nam pokaże", budzi sporo wątpliwości.
Istnieją dwa rodzaje podejścia do problemów w naukach fizycznych. Pierwsze to podejście finezyjne, polegające na wąskim projektowaniu eksperymentu lub obserwatorium w celu rozwiązania konkretnego problemu. Drugie podejście nazywane jest metodą brutalnej siły, w którym projektuje się uniwersalny, pchający granicę eksperyment lub obserwatorium, aby badać Wszechświat w zupełnie nowy sposób niż nasze wcześniejsze podejścia. Pierwsze lepsze jest w poruszaniu się w obrębie Modelu Standardowego. Drugie pozwala znaleźć ślady czegoś więcej, ale niestety to coś nie jest dokładnie określone. Zatem zarówno jedna, jak i druga metoda ma swoje wady.
Poszukiwania tzw. Teorii Wszystkiego (GUT), święty Graal fizyki, należałoby zaliczyć do drugiej kategorii, bo najczęściej sprowadzają się do szukania coraz większych energii (3), przy których siły natury ostatecznie unifikują się w jedno oddziaływanie.
Niesforne neutrina
Ostatnio nauka zaczyna coraz chętniej kierować się na ciekawsze obszary, np. badania neutrin, o których niedawno zamieściliśmy w MT obszerny raport. W lutym 2020 w "The Astrophysical Journal" ukazała się publikacja na temat odkrycia na Antarktydzie wysokoenergetycznych neutrin o nieznanym pochodzeniu. Oprócz znanego eksperymentu IceCube, na mroźnym kontynencie podjęto również badania pod kryptonimem ANITA (Antarctic Impulsive Transient Antenna), które polegają na wypuszczaniu balonu z czujnikiem fal radiowych.
Zarówno IceCube, jak i ANITA zostały zaprojektowane do poszukiwania fal radiowych pochodzących od wysokoenergetycznych neutrin zderzających się z materią stałą składającą się na lód. Avi Loeb, przewodniczący Wydziału Astronomii na Harvardzie, wyjaśnił w serwisie "Salon": "Zdarzenia wykryte przez ANITA z pewnością wydają się anomalią, ponieważ nie mogą być wyjaśnione jako neutrina ze źródeł astrofizycznych. (…) To mógłby być jakiś rodzaj cząstek, które oddziałują słabiej niż neutrina ze zwykłą materią. Podejrzewamy, że takie cząsteczki istnieją w postaci ciemnej materii. Ale co czyni zdarzenia ANITA tak energetycznymi?".
Neutrina są jedynymi znanymi cząstkami, które do tej pory złamały Model Standardowy. Zgodnie z Modelem Standardowym cząstek elementarnych powinniśmy mieć trzy rodzaje neutrin (elektronowe, mionowe i taonowe) i trzy rodzaje antyneutrin, a po ich utworzeniu powinny być stabilne i niezmienne w swoich właściwościach. Od lat 60., kiedy to pojawiły się pierwsze obliczenia i pomiary dla neutrin wytwarzanych przez Słońce, zdaliśmy sobie sprawę, że istnieje problem. Wiedzieliśmy, ile neutrin elektronowych zostało wyprodukowanych w jądrze słonecznym. Ale kiedy zmierzyliśmy, ile przybyło, zobaczyliśmy tylko jedną trzecią przewidywanej liczby.
Albo coś było nie tak z naszymi detektorami, albo coś było nie tak z naszym modelem Słońca, albo coś było nie tak z samymi neutrinami. Eksperymenty na reaktorach szybko obaliły pogląd, że coś jest nie tak z naszymi detektorami (4). Działały one tak, jak się spodziewano, a ich wydajność była bardzo dobrze określona ilościowo. Neutrina, które wykryliśmy, były wykrywane proporcjonalnie do liczby neutrin, które przybywały. Przez dziesięciolecia wielu astronomów twierdziło, że nasz model Słońca musi być wadliwy.
Oczywiście istniała jeszcze jedna egzotyczna możliwość, która, jeśli byłaby poprawna, zmieniłaby nasz obraz Wszechświata w stosunku do tego, co przewidywał Model Standardowy. Polega ona na tym, że trzy rodzaje neutrin, które znamy, mają w rzeczywistości masę, a nie są bezmasowe, i że mogą się one mieszać (oscylować), zmieniając smaki, jeśli mają wystarczająco dużą energię. Jeżeli neutrino startuje jako elektronowe, może zmieniać się po drodze na mionowe i taonowe, ale to jest możliwe tylko wtedy gdy ma masę. Naukowców frapuje problem prawo- i lewoskrętności neutrin. Bowiem jeśli nie można tego odróżnić, to nie można odróżnić, czy mamy do czynienia z cząstką, czy jej antycząstką.
Czy neutrino może być rzeczywiście swoją własną antycząstką? Nie według zwykłego Modelu Standardowego. Fermiony, ogólnie rzecz biorąc, nie powinny być swoimi własnymi antycząstkami. Fermion to dowolna cząstka o obrocie ±½. Kategoria ta obejmuje wszystkie kwarki i leptony, łącznie z neutrinami. Istnieje jednak szczególny rodzaj fermionu, który jak dotąd istnieje tylko w teorii - fermion Majorany, który jest swoją własną antycząstką. Gdyby istniał, mogłoby zachodzić coś szczególnego - bezneutrinowy podwójny rozpad beta. I tu pojawia się szansa dla eksperymentatorów, którzy od dawna takiego rozpadu szukają.
We wszystkich zaobserwowanych procesach z udziałem neutrin cząstki te wykazują cechę określaną przez fizyków jako lewoskrętność. Neutrina prawoskrętne, które są najbardziej naturalnym rozszerzeniem Modelu Standardowego, nie są nigdzie widoczne. Wszystkie inne cząstki MS mają prawoskrętne wersję, a neutrina nie. Dlaczego? Najnowsza, niezwykle wszechstronna analiza przeprowadzona przez międzynarodową grupę fizyków, w tym Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie przeprowadził badania nad tym problemem. Naukowcy uważają, że brak obserwacji prawoskrętnych neutrin może dowodzić, że są fermionami Majorany. Gdyby nimi były, to ich wersja prawoskrętna jest niezwykle masywna, co tłumaczyłoby trudność w wykryciu.
A jednak nadal nie wiemy, czy neutrina są własnymi antycząstkami. Nie wiemy, czy uzyskują swoją masę z bardzo słabego sprzężenia z Higgsem, czy też uzyskują ją poprzez inny mechanizm. I nie wiemy, czy przypadkiem sektor neutrin nie jest znacznie bardziej złożony, niż nam się wydaje, ze sterylnymi lub ciężkimi neutrinami czającymi się w mroku.
Atomki i inne anomalie
W fizyce cząstek oprócz modnych neutrin są też inne mniej znane obszary badawcze, z których być może prześwituje "nowa fizyka". Naukowcy zaproponowali na przykład niedawno nowy rodzaj cząstki subatomowej, aby wyjaśnić tajemniczy rozpad kaonu (5), szczególnego przypadku cząstki mezonowej, która składa się z jednego kwarka i jednego antykwarka. Kiedy cząstki kaonu ulegają rozpadowi, nieliczna ich część ulega zmianom, które zaskoczyły naukowców. Styl tego rozpadu może wskazywać na nowy rodzaj cząstki lub nową siłę fizyczną w działaniu. A to wykracza poza Model Standardowy.
Eksperymentów poszukujących luk w Modelu Standardowym jest więcej. Należy do nich poszukiwanie mionu g-2. Prawie sto lat temu fizyk Paul Dirac przewidział wartość momentu magnetycznego elektronu, używając wielkości "g", liczby określającej właściwości spinu cząstki. Potem pomiary wykazały, że "g" różni się nieznacznie od 2, a fizycy zaczęli wykorzystywać różnicę między rzeczywistą wartością "g" a 2 do badania wewnętrznej struktury cząstek subatomowych i ogólnie praw fizyki. W 1959 r. CERN w Genewie w Szwajcarii przeprowadził pierwszy eksperyment, w którym zmierzono wartość g-2 subatomowej cząstki zwanej mionem, pokrewnej z elektronem, ale nietrwałej i 207 razy cięższej cząstki elementarnej.
Brookhaven National Lab w Nowym Jorku rozpoczęło własny eksperyment i opublikowało wyniki swojego eksperymentu g-2 w 2004 roku. Pomiar odbiegał od tego, co przewidywał Model Standardowy. Jednak w eksperymencie nie zebrano wystarczającej ilości danych, aby analiza statystyczna ostatecznie dowiodła, że mierzona przez nich wartość była naprawdę inna, a nie tylko statystyczną fluktuacją. Kolejne ośrodki badawcze podejmują obecnie nowe eksperymenty g-2, a o wynikach zapewne wkrótce usłyszymy.
Jest coś bardziej intrygującego niż anomalie kaonowe i mionowe. W 2015 roku eksperyment z rozpadem berylu 8Be wykazał anomalię. Naukowcy na Węgrzech poszukiwali ciemnych fotonów za pomocą swojego detektora. Jednak przy okazji wykryli albo wydawało im się, że wykryli, zupełnie nowy bozon, który sugerowałby istnienie piątej fundamentalnej siły natury.
Fizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego zainteresowali się badaniami. Zasugerowali oni, że zjawisko, zwane anomalią Atomki, zostało spowodowane przez zupełnie nową cząstkę, która miałaby przenosić piątą siłę natury. Nazywana jest X17, ponieważ uważa się, że odpowiadająca jej masa wynosi prawie 17 milionów elektronowoltów. Jest to 30 razy więcej masy niż ma elektron, ale mniej niż proton. A to, jak X17 zachowuje się wokół protonu, jest jedną z jego najdziwniejszych cech - to znaczy, w ogóle nie wchodzi w interakcję z protonem. Za to oddziałuje z ujemnie naładowanym elektronem lub neutronem, który w ogóle nie ma ładunku. To sprawia, że trudno jest dopasować cząstkę X17 do naszego obecnego Modelu Standardowego. Bozony są związane z siłami. Gluony kojarzone są z oddziaływaniem silnym, bozony W i Z ze słabym, a fotony z elektromagnetyzmem. Istnieje nawet hipotetyczny bozon dla grawitacji, zwany grawitonem. Jako bozon X17 nosiłby własną siłę, np. taką, która do tej pory pozostawała dla nas tajemnicą i mogłaby być główną siłą ciemnego sektora wszechświata, ciemnej materii.
Wszechświat i jego preferowany kierunek?
W artykule opublikowanym w kwietniu tego roku w czasopiśmie "Science Advances", naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Sydney podali, że nowe pomiary światła emitowanego przez oddalony o 13 miliardów lat świetlnych kwazar potwierdzają dotychczasowe badania, w których stwierdzono niewielkie różnice w stałej struktury subtelnej Wszechświata. Profesor John Webb z UNSW (6) wyjaśnia, że stała struktury subtelnej "jest wielkością, którą fizycy wykorzystują jako miarę siły elektromagnetycznej". Siła elektromagnetyczna utrzymuje elektrony wokół jąder w każdym atomie Wszechświata. Bez niej wszelka materia rozleciałaby się. Do niedawna uważano ją za siłę niezmienną w czasie i przestrzeni. Ale w swoich badaniach w ciągu ostatnich dwóch dekad profesor Webb zauważył anomalie w stałej struktury subtelnej, polegające na tym, że siła elektromagnetyczna mierzona w jednym wybranym kierunku we Wszechświecie wydaje się zawsze nieznacznie inna.
"Znaleźliśmy wskazówkę, że ta liczba stałej struktury subtelnej jest różna w niektórych rejonach Wszechświata. Nie tylko jako funkcja czasu, ale w rzeczywistości również kierunku we Wszechświecie, co jest naprawdę dość dziwne, jeśli to prawda", tłumaczy Webb. Niespójności pojawiły się nie w pomiarach australijskiego zespołu, ale w porównaniu ich wyników z wieloma innymi pomiarami światła kwazarów, dokonywanymi przez innych naukowców.
"Wydaje się popierać tę ideę, że we Wszechświecie może istnieć kierunkowość, co jest rzeczywiście bardzo dziwne", mówi profesor Webb. "Zatem wszechświat może nie być izotropowy, jeśli chodzi o prawa fizyki, czyli taki sam, statystycznie rzecz biorąc, we wszystkich kierunkach". Jego zdaniem wyniki zdają się sugerować, iż we Wszechświecie może istnieć jakiś preferowany kierunek. Innymi słowy, Wszechświat w pewnym sensie miałby strukturę dipolową.
"W jednym konkretnym kierunku możemy spojrzeć wstecz na 12 miliardów lat świetlnych i zmierzyć elektromagnetyzm, gdy Wszechświat był bardzo młody. Ten zdaje się stopniowo zwiększać, im dalej patrzymy, podczas gdy w kierunku przeciwnym stopniowo maleje. W innych kierunkach w kosmosie, stała struktury subtelnej pozostaje prawdziwą stałą", opowiada o odnotowanych anomaliach naukowiec.
To jeszcze inaczej, zamiast tego, co było uważane za przypadkowe rozprzestrzenienie się galaktyk, kwazarów, czarnych dziur, gwiazd, chmur gazowych i planet wraz z życiem, Wszechświat nagle wydaje się mieć odpowiednik północy i południa. Profesor Webb jest nadal gotów przyznać, że wyniki pomiarów uczonych, dokonywane na różnych etapach przy użyciu różnych technologii i z różnych miejsc na Ziemi, są w rzeczywistości ogromnym zbiegiem okoliczności.
Jeśli we Wszechświecie istnieje kierunkowość, i jeśli elektromagnetyzm okaże się bardzo nieznacznie różny w pewnych rejonach kosmosu, najbardziej fundamentalne pojęcia leżące u podstaw większości współczesnej fizyki będą wymagały rewizji, wskazuje Webb. "Nasz Standardowy Model kosmologii opiera się na izotropowym Wszechświecie, który jest taki sam, statystycznie rzecz biorąc, we wszystkich kierunkach", mówi. Model jest oparty na teorii grawitacji Einsteina, która wyraźnie zakłada stałość praw natury. A jeśli tak nie jest, to… aż dech zapiera od myśli o przewróceniu całego gmachu fizyki.
Mirosław Usidus
