Nowa fizyka we mgle. Marzenie o czymś, co się nie zgadza

Naukowcy z Fermilab podali latem 2023 r., że mogą być coraz bliżej odkrycia istnienia nowej siły natury. Znajdują coraz więcej dowodów na to, że cząstki subatomowe, zwane mionami, nie zachowują się w sposób przewidywany przez obecną teorię fizyki subatomowej. Uważają, że na miony może działać nieznana siła, co może oznaczać początek rewolucji w fizyce.

Wszystkie oddziaływania, których doświadczamy na co dzień, można zredukować do czterech kategorii: grawitacji, elektromagnetyzmu oraz oddziaływań silnego i słabego. Według obowiązującej obecnie wiedzy te cztery fundamentalne siły regulują interakcje obiektów i cząstek we Wszechświecie. W eksperymencie nazwie „g minus dwa (g–2)” (1) naukowcy z Fermilab przyspieszają subatomowe cząstki zwane mionami wokół pierścienia o średnicy 15 m do prędkości bliskiej prędkości światła. Naukowcy odkryli, że ich zachowań w tym eksperymencie nie można wyjaśnić za pomocą obecnej teorii, zwanej Modelem Standardowym (MS). Wydają się bowiem być pod wpływem nieznanej siły. Miony są podobne do elektronów, które krążą wokół atomów i są odpowiedzialne za prądy elektryczne, ale są około dwustu razy bardziej masywne. Z eksperymentów, o których mowa, wynika, że chybotały się szybciej, niż wynikałoby to z przewidywań MS. Naukowcy liczą na nowe dane, by niepewność wyniku zmniejszyła się na tyle, by mogli potwierdzić anomalię. Rywalizujący z nimi zespół z europejskiego Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) ma jednak nadzieję być w tym pierwszy. Mitesh Patel z londyńskiego Imperial College, jeden z tysięcy fizyków pracujących w LHC, którzy próbują znaleźć błędy w Modelu Standardowym, powiedział BBC News: „Pomiar zachowania, które nie zgadza się z przewidywaniami Modelu Standardowego, to święty Graal fizyki cząstek elementarnych. Byłby to początek rewolucji”.

Model Standardowy do przezwyciężenia

Piąta siła i wszelkie związane z nią cząstki nie są częścią Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych. Naukowcy na ogół są pewni, że musi istnieć „fizyka poza MS”, ponieważ obecna teoria nie może wyjaśnić wielu zjawisk obserwowanych przez astronomów np. tego, że galaktyki wciąż po Wielkim Wybuchu przyspieszają, zamiast spowalniać ekspansję. Naukowcy twierdzą, że przyspieszenie to jest napędzane przez nieznaną siłę, nazywaną ciemną energią. Galaktyki obracają się szybciej, niż powinny, gdyby brać pod uwagę jedynie ilości materii w nich zawartej. Naukowcy uważają, że dzieje się tak z powodu ciemnej materii, której hipotetyczne cząstki również nie są częścią Modelu Standardowego. Tych anomalii jest więcej.

Na początku lat trzydziestych XX wieku znanych było tylko kilka fundamentalnych cząstek składowych Wszechświata: protony, elektrony, które krążyły wokół nich, oraz fotony. Odpowiadało to znanym w przyrodzie elementom składowym i zjawiskom, jednak było kilka zjawisk, które nie do końca pasowały, np. cięższe pierwiastki miały większy ładunek, ale argon i potas były wyjątkiem: argon miał ładunek +18 jednostek, ale masę ~40 atomowych jednostek masy, zaś potas miał ładunek +19 jednostek, ale masę ~39 jednostek. Odkrycie neutronu w 1932 roku załatwiło sprawę. Niektóre rodzaje rozpadów promieniotwórczych – rozpady beta – wydawały się nie zachowywać energii i pędu, co doprowadziło do hipotezy Pauliego z 1930 roku o neutrinie, które odkryto prawie trzy dekady później. Równanie Diraca przewidywało ujemne stany energetyczne, które odpowiadały antymaterialnym odpowiednikom cząstek. To też dziś jest już częścią MS.

Model Standardowy to złożona struktura teoretyczna, skonstruowana w latach 70. ubiegłego wieku w celu spójnego opisania obecnie znanych cząstek elementarnych materii (kwarków, a także elektronów, mionów, taonów i związanych z tą trójką neutrin) oraz sił elektromagnetycznych (fotonów) i jądrowych (gluonów w przypadku oddziaływań silnych, bozonów W i Z w przypadku oddziaływań słabych).

Były nadzieje, że nie tylko wisienką na torcie tworzenia MS, ale również drogą do nowej fizyki będzie odkrycie bozonu Higgsa, cząstki odgrywającej kluczową rolę w mechanizmie odpowiedzialnym za nadawanie mas pozostałym cząstkom elementarnym, w LHC. Okazał się cząstką tak trudną do wyprodukowania i obserwacji, że mimo upływu czasu jego właściwości wciąż nie zostały poznane z zadowalającą dokładnością. Po kilkunastu latach od głośnego wydarzenia jego pierwszej detekcji wiemy nieco więcej o jego pochodzeniu, także dzięki niedawnemu osiągnięciu międzynarodowej grupy teoretyków z udziałem Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. „Wartości przekroju czynnego na produkcję bozonu Higgsa znalezione przez naszą grupę oraz zmierzone w dotychczasowych zderzeniach wiązek w akceleratorze LHC są praktycznie takie same, naturalnie przy uwzględnieniu obecnych niedokładności obliczeniowych i pomiarowych. Wygląda więc na to, że w obrębie badanych przez nas mechanizmów odpowiedzialnych za powstawanie bozonów Higgsa nie widać zwiastunów nowej fizyki, przynajmniej na razie”, podsumowywał w opublikowanym komunikacie prace zespołu Rene Poncelet z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

Powszechne wśród naukowców przekonanie o konieczności istnienia nowej fizyki wynika z faktu, że za pomocą Modelu Standardowego nie można udzielić odpowiedzi na szereg fundamentalnie ważnych pytań, nie tylko we wspominanej dziedzinie poszukiwań ciemnych – energii i materii. Dlaczego cząstki elementarne mają takie, a nie inne masy? Dlaczego tworzą rodziny? Z czego wynika przewaga materii nad antymaterią we Wszechświecie? Model Standardowy w ogóle nie uwzględnia tak powszechnego oddziaływania jak grawitacja.

Teorie Einsteina też nie powinny czuć się bezpiecznie

Ogólna teoria względności Einsteina jest naszym najlepszym opisem Wszechświata w dużych skalach. Jednak nowe obserwacje, wykazujące istnienie „usterki” w grawitacji wokół starych struktur kosmicznych, może zmusić ją do modyfikacji. W pracy opublikowanej w marcu 2024 r. w „Journal of Cosmology and Astroparticle Physics”, naukowcy proponują z tego powodu modyfikację teorii Einsteina dla różnych skal odległości. „Zakładamy, że uniwersalna stała grawitacji jest inna w skali kosmologicznej w porównaniu do mniejszych skal (takich jak Układ Słoneczny lub Galaktyka)” – powiedział Niayesh Afshordi, astrofizyk z Uniwestetu Waterloo. „Nazywamy to kosmiczną usterką”. Afshordi powiedział, że ta poprawka powoduje zmiany we wzorcach znalezionych w kosmicznym mikrofalowym tle, resztkowym promieniowaniu wytworzonym 380 000 lat po Wielkim Wybuchu – oraz w strukturze i ekspansji Wszechświata. Korekty te nie są wielkie, ale wnioskowanie, że prawa grawitacji zmieniają się w skali odległości, to radykalna zmiana. Naukowcy uważają, że istnienie usterki może zostać potwierdzone przez nową generację instrumentów do badania galaktyk, w tym za pomocą teleskopu kosmicznego Euclid Europejskiej Agencji Kosmicznej, instrumentu spektroskopowego ciemnej energii i obserwatorium Simons. Twierdzą oni, że instrumenty te powinny dokonać pomiarów „usterki” cztery razy dokładniej, niż jest to obecnie możliwe.

Niektórzy naukowcy uważają, że prosta modyfikacja teorii względności Einsteina może nie wystarczyć. W rzeczywistości możliwe jest, że rozbieżności ujawnione przez obserwacje astronomiczne są wskazówkami, że nasze pojmowanie Wszechświata wymaga całkowitej przebudowy. Scott Dodelson, profesor fizyki i przewodniczący Wydziału Fizyki na Uniwersytecie Carnegie Mellon, powiedział serwisowi „Live Science”: „Mam przeczucie, że zamiast dodawać więcej modyfikacji, potrzebujemy całkiem nowego paradygmatu”.

W niedawnym artykule zespół naukowców z NASA zaproponował sposób, w jaki sonda kosmiczna mogłaby szukać dowodów na istnienie nowej fizyki w naszym Układzie Słonecznym. Argumentują oni, że poszukiwania te byłyby wspomagane przez statki kosmiczne lecące w formacji czworościennej i wykorzystujące interferometry. Misja, która znana jest pod nazwą Magnetospheric Multiscale, mogłaby pomóc w rozwiązaniu zagadki kosmologicznej, która wymyka się naukowcom od ponad pół wieku.

Już kilka dekad temu obserwacje krzywych rotacji galaktyk i ekspansji Wszechświata dały początek nowym teoriom dotyczącym natury grawitacji w większych skalach kosmicznych. Z jednej strony naukowcy postulowali istnienie ciemnej materii i ciemnej energii, aby pogodzić swoje obserwacje z ogólną względnością. Z drugiej strony opracowano alternatywne teorie grawitacji (takie jak Zmodyfikowana Dynamika Newtonowska (MOND), Zmodyfikowana Grawitacja (MOG) itp. Tymczasem wciąż mnożą się sugestie, że w kosmosie może istnieć dodatkowa fizyka, której nie jesteśmy jeszcze świadomi. Wiaczesław (Sława) Turyszew z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles (UCLA) powiedział „Universe Today”: „Jeśli te ‘anomalie’ wynikają z nowej fizyki, zjawisk, które nie zostały jeszcze zaobserwowane w laboratoriach naziemnych lub akceleratorach cząstek, to możliwe jest, że ta nowa siła może objawiać się w skali Układu Słonecznego”. W swoich badaniach Turyszew i jego koledzy badali, czy eskadra statków kosmicznych lecących w formacji czworościennej mogłaby zbadać pole grawitacyjne Słońca, w poszukiwaniu odchyleń od przewidywań ogólnej teorii względności w skali Układu Słonecznego. Misja, jak wyjaśnia Turyszew, wykorzystałaby techniki pomiarowe oparte na zespole interferometrów laserowych. Statek kosmiczny miałby być również wyposażony w interferometry atomowe, które wykorzystują falowy charakter atomów do pomiaru różnicy faz między falami materii atomowej wzdłuż różnych ścieżek. Technika ta pozwoli statkowi kosmicznemu wykryć obecność szumów niegrawitacyjnych (aktywność pędników, ciśnienie promieniowania słonecznego, siły odrzutu termicznego itp.). Lot w formacji czworościennej zoptymalizuje zdolność statków kosmicznych do porównywania pomiarów.

Przez dziesięciolecia naukowcy marzyli o znalezieniu sposobu na pogodzenie efektów grawitacji zarówno w skali klasycznej, jak i kwantowej, poprzez złożone koncepcje, takie jak teoria strun lub pętlowa grawitacja kwantowa. Ujednolicona teoria grawitacji mogłaby być kluczem do rozwiązania innych ważnych kwestii we Wszechświecie, takich jak początek Wielkiego Wybuchu czy skład ciemnej materii. W pracy opublikowanej na początku tego roku w „Science Advances” grupa badawcza z Wielkiej Brytanii, Holandii i Włoch zaprojektowała eksperyment tak czuły, że może zmierzyć siłę grawitacji równą jednej kwintylionowej niutona (w skali jednego attoniutona) na cząstce ważącej zaledwie 0,43 miligrama. O efektach grawitacyjnych można myśleć jak o falach dźwiękowych. Aby wykryć cichszy dźwięk, rejestrator audio musi być bardziej czuły i musi odfiltrować szum tła. Podobnie, im mniejszy obiekt, tym „cichsza” jest jego siła grawitacji.

Aby „usłyszeć” siłę grawitacji cząstki o masie 0,43 miligrama, Tjerk Oosterkamp, profesor fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Leiden w Holandii i jego koledzy musieli zaprojektować czuły eksperyment, odfiltrowujący jednocześnie wibracje niegrawitacyjne, takie jak przypadkowy ruch cząstek brzęczących i zderzających się, które wytwarzają energię cieplną. W tym celu wykorzystali kombinację narzędzi zwiększających czułość, w tym lodówkę podobną do tej używanej do chłodzenia komputerów kwantowych w celu zminimalizowania energii cieplnej, system masowo-sprężynowy do pochłaniania wibracji otoczenia oraz nadprzewodzącą „pułapkę” do utrzymywania w lewitacji cząstki w celu odizolowania jej od wszelkich utrzymujących się wibracji. Druga 2,4-kilogramowa masa źródłowa została umieszczona w pobliżu, aby wytworzyć siłę grawitacyjną dla lewitującej cząstki. W takim eksperymencie wymagane są dwa obiekty o masie, aby siła grawitacyjna jednego źródła mogła oddziaływać na drugie, podobnie jak Ziemia i Księżyc. Zespół był w stanie zmierzyć siłę grawitacji o wartości 30 attoniutonów na lewitującej cząstce testowej. „Mamy nadzieję zbudować następcę LIGO/VIRGO, który nazywa się Einstein Telescope” – mówi Oosterkamp. Teleskop ten ma zostać zbudowany w Europie w połowie lat 30. i będzie detektorem fal grawitacyjnych nowej generacji.

Montaż godzi fizykę ze światem życia

Niektórzy nowej fizyki lub może raczej nowego podejścia do fizyki szukają w innych gałęziach nauki, np. w biologii. Chociaż ta ostatnia powinna być zgodna z teorią fizyczną, na przykład ewolucja niezupełnie mieści się w fizyce. Wychodząc z założenia, że powinna, międzynarodowy zespół naukowców, kierowany przez fizyka teoretycznego Sarę Walker z Uniwersytetu Arizony i chemika Lee Cronina z Uniwersytetu Glasgow, głosi, że znalazł na to sposób. Nazwali oni swój pomysł „teorią montażu” i twierdzą, że nie tylko uzgadnia biologię z fizyką, ale może ona pomóc w poszukiwaniu życia pozaziemskiego. „Teoria montażu to zupełnie nowe spojrzenie na fizykę, chemię i biologię jako różne odmiany tej samej rzeczywistości”, wyjaśnia Walker w publikacji na łamach „Nature”. „Dzięki tej teorii możemy zacząć wypełniać lukę między fizyką redukcjonistyczną a ewolucją darwinowską – to duży krok w kierunku fundamentalnej teorii jednoczącej materię żywą i nieożywioną”.

Według tego spojrzenia, będącego w pewnym sensie również rodzajem „nowej fizyki”, unifikacja jest oczywista, gdy rozważamy obiekty nie tylko takie, jakie są obecnie, ale także w wymiarze czasowym, biorąc pod uwagę zarówno to, jak się uformowały, jak i ich potencjał do zmiany. Naukowcy opracowali już wcześniej coś, co nazwali indeksem złożoności molekularnej. Aby go skompilować, określili najmniejszą liczbę kroków wymaganych do utworzenia każdego rodzaju cząsteczki i przypisali im złożoność na bazie liczby tych kroków. Tylko procesy życiowe i technologiczne skutkowały cząsteczkami, które wymagały więcej niż piętnaście kroków montażowych. Badacze opracowali matematyczne ramy do określenia, ile selekcji jest wymagane do wytworzenia złożonego obiektu, takiego jak białka, oczy lub łuski, z molekularnych bloków budulcowych. Wyniki nie działają tylko w przypadku już istniejących obiektów. Można je również wykorzystać do przewidywania powstawania nowych. Oznacza to, że można zastosować pewien poziom przewidywalności do możliwości pojawienia się życia w danym systemie; na przykład na księżycu Saturna, Tytanie, na którym można znaleźć wiele elementów składowych znanego życia. Teorię tę można przetestować eksperymentalnie, czyli w warunkach laboratoryjnych spróbować odtworzyć początki życia, co pozwala nie tylko odtworzyć proces powstania życia na Ziemi, ale również opracować wzorce powstawania życia gdzie indziej.

Mirosław Usidus