Phone

Základná častica, ktorá fyzikom predstavuje veľký problém, váži ťažšiu, než sa očakávalo

Základná častica, ktorá fyzikom predstavuje veľký problém, váži ťažšiu, než sa očakávalo
Written by pocox3

Model, ktorý máme na pochopenie základných častíc vesmíru, je trochu ako prevodovka: malá zmena vlastností jednej častice naruší aj mechaniku iných častíc.

Takže keď papier zistí, že hmotnosť základnej častice je mierne odlišná od toho, čo bolo predtým akceptované, urobí to viac než len zdvihnutie obočia vo svete fyziky. Ak by to bola pravda, takýto objav by znamenal, že fundamentálna fyzika je nejakým, zatiaľ neurčeným spôsobom „chybná“, a otriasol by časticovou fyzikou na ďalšie desaťročia.

Naše chápanie základných častíc, známe ako štandardný model časticovej fyziky, je jedným z najpôsobivejších ľudských úspechov za posledných 150 rokov. Trvalo tisícky fyzikov a inžinierov, ktorí pracovali viac ako storočie, aby dali všetky časti dohromady, počnúc objavom elektrónu v roku 1897 a vyvrcholením objavom dlho teoretizovaného Higgsovho bozónu v roku 2012.

Začiatkom tohto mesiaca, po 20 rokoch analýz, vedci z Fermilab’s Collider Detector (CDF) oznámili, že urobili najpresnejšie meranie hmotnosti bozónu W. Po miliónoch testov a pozorovaní vyšlo ich meranie hmotnosti na 1,43385738. × 10-22 gramov. (Zdá sa ľahký, ale je ťažší, než by mal byť.)

Presnosť merania jednej z prírodných častíc prenášajúcich silu je pozoruhodná: vedci tvrdia, že revidovaná hmotnosť častice má presnosť 0,01 %, čo je dvakrát presnejšie ako predchádzajúce najlepšie meranie. Výsledky boli publikované v časopise Science.

SÚVISIACE: Prečo sú niektorí fyzici skeptickí k experimentu s miónmi, ktorý naznačuje „novú fyziku“

Je tu však veľký problém: Toto meranie je v rozpore s hodnotami, ktoré vedci používajú v teoretických vstupoch štandardného modelu. Inými slovami, ak je to pravda, meranie hmotnosti naznačuje, že štandardný model fyziky – čo je teória zlatého štandardu, ktorá vysvetľuje štyri známe sily vo vesmíre a všetky základné častice – je na zemi krehký.

Na rozdiel od iných základných častíc, ako sú kvarky, elektróny a fotóny, W bozón nie je častica, o ktorej sa zvyčajne učia vo vede na základnej škole. Napriek tomu, podobne ako tieto častice, je základom zloženia hmoty vo vesmíre. Bozón W je posolská častica toho, čo sa nazýva „slabá jadrová sila“, čo je jedna zo štyroch základných interakcií známych vo fyzike častíc; ďalšie sú elektromagnetizmus, silná interakcia a gravitácia. Zatiaľ čo elektromagnetická sila a gravitácia sú každodennými javmi v ľudských interakciách a každodennom živote a silná sila je to, čo spája atómové jadrá dohromady, slabá interakcia nie je tak jasne viditeľná. Napriek tomu sa slabá sila podieľa na rádioaktívnom rozpade atómov a je rovnako nevyhnutná pre vzhľad nášho dnešného vesmíru ako ktorákoľvek z ostatných troch síl. A slabá interakcia nemôže nastať bez pomoci W bozónu.

Na uskutočnenie nového merania hmotnosti bozónu W výskumníci použili údaje o kolíziách z Fermi National Accelerator Laboratory, čo je teraz vyradený urýchľovač častíc v Illinois. Urýchľovač častíc Fermilab vrhá proti sebe protóny a antiprotóny rýchlosťou blízkou rýchlosti svetla a zblízka pozoruje výsledný výbuch energetických častíc a potom extrapoluje ich charakteristiky.

Urýchľovač dokázal počas svojej činnosti syntetizovať štyri milióny kandidátskych bozónov W, ktorých vlastnosti boli opakovane merané. Prostredníctvom rozsiahlych výpočtov vedci pristáli na svojom meraní, ktoré je presné v rozmedzí siedmich štandardných odchýlok – výrazne nad piatimi štandardnými odchýlkami, ktoré poskytujú štandardný štatistický výsledok.

“Zohľadnili sme naše lepšie pochopenie nášho detektora častíc, ako aj pokroky v teoretickom a experimentálnom chápaní interakcií bozónu W s inými časticami. Keď sme konečne odhalili výsledok, zistili sme, že sa líši od predpovede štandardného modelu.”

„Počet vylepšení a dodatočných overení nášho výsledku je enormný,“ povedal Ashutosh V. Kotwal z Duke University, ktorý viedol analýzu a je jedným zo 400 vedcov v spolupráci CDF, v tlačovej správe A. “Zohľadnili sme naše lepšie pochopenie nášho detektora častíc, ako aj pokroky v teoretickom a experimentálnom chápaní interakcií bozónu W s inými časticami. Keď sme konečne odhalili výsledok, zistili sme, že sa líši od predpovede štandardného modelu.”

Rozdiel? Nové merania umiestňujú W bozón asi o desatinu percenta hmotnejší, než sa predtým predpokladalo a akceptovalo. Znie to málo, ale stačí to na to, aby to spôsobilo veľký problém v časticovej fyzike – ak je to pravda.

Schumm povedal, že novému meraniu hmotnosti bozónu W „chýbajú presvedčivé dôkazy“.

“Skutočnosť, že nameraná hmotnosť bozónu W sa nezhoduje s predpovedanou hmotnosťou v štandardnom modeli, môže znamenať tri veci. Buď sú výpočty nesprávne, meranie je nesprávne, alebo v štandardnom modeli niečo chýba,” píše vysoko – fyzik energetických častíc John Conway vo filme The Conversation.

Inými slovami, vykonanie zmien v štandardnom modeli by neovplyvnilo len štandardný model – mohlo by to zmeniť celú fyziku a naše chápanie vesmíru.

“Teraz je na komunite teoretickej fyziky a ďalších experimentoch, aby to sledovali a objasnili túto záhadu,” uviedol v tlačovej správe spoluhovorca CDF David Toback. „Ak je rozdiel medzi experimentálnou hodnotou a očakávanou hodnotou spôsobený nejakou novou interakciou častíc alebo subatomárnou interakciou, čo je jedna z možností, je pravdepodobné, že je to niečo, čo sa dá objaviť v budúcich experimentoch.

Štandardný model sa ukázal ako neuveriteľne dobrý pri predpovedaní vlastností častíc, z ktorých pozostáva, a dokonca aj vlastností nových častíc. Vzhľadom na jeho pozoruhodnú prorockú povahu fyzici dychtivo skúšajú vŕtať diery, čo by mohlo viesť k novým objavom a novej fyzike. V skutočnosti, ako uviedol Salon v roku 2021, Fermilabov experiment Muon g-2 priniesol niekoľko bizarných výsledkov, ktoré sa mierne líšili od toho, čo predpokladal štandardný model – hoci tieto výsledky celkom nepresahovali „zlatý štandard“ s 5 štandardnými odchýlkami, ktorý by ich robil. definitívne. .


Chcete viac príbehov o zdraví a vede vo svojej doručenej pošte? Prihláste sa na odber týždenného bulletinu Salon The Vulgar Scientist.


Ale pokiaľ ide o uskutočnenie takých presných meraní s tak malým rozsahom chýb, niektorí fyzici tvrdia, že experiment bude mať skôr chyby ako štandardný model.

“Presnosť je veľkosť neistoty a presnosť je veľkosť potenciálnej chyby,” povedal Schumm. “Môžete mať niečo veľmi, veľmi špecifické, ale veľmi zlé.”

“Môžete sa opýtať: ‘Môže to byť experimentálny efekt, experimentálna chyba a zdrojom môže byť kalibrácia? No, je to jedna z dvoch možností,’ Bruce Schumm, profesor fyziky na University of California-Santa Cruz, a autor z populárnej knihy o fyzike častíc, povedal Salon. „Ak rozdiel [in mass] je chyba, možno áno, kalibrácia detektora je veľmi pravdepodobným zdrojom tejto chyby, tejto chyby.”

Schumm povedal, že je dôležité rozlišovať medzi nimi presnosť a presnosťpoznamenať, že je možné vykonať nepresné meranie veľmi presne.

“Presnosť je veľkosť neistoty a presnosť je veľkosť potenciálnej chyby,” povedal Schumm. “Môžete mať niečo veľmi, veľmi špecifické, ale veľmi zlé.”

Schumm povedal, že nové meranie hmotnosti bozónu W CDF „prehliadlo dymiacu zbraň“ – konkrétne jasne identifikovaný dôvod, prečo iné merania z rôznych experimentov nesúhlasia s výsledkom CDF pre hmotnosť bozónu CDF.

“Je možné, že všetkým ostatným meraniam niečo chýba a meranie CDF to urobilo opatrnejšie a dostalo správnu odpoveď,” povedal Schumm. “Myslím si však, že s najväčšou pravdepodobnosťou je buď výsledok CDF nesprávny, alebo je nesprávne telo ostatných výsledkov.”

Predtým Schumm povedal Salonu, že je „prílišné dramatizácia“ povedať, že štandardný model bude jedného dňa úplne prepísaný alebo zrušený.

“Štandardný model bol vždy, odo dňa, keď bol vynájdený, známy tým, čo sa nazýva ‘účinná teória’,” povedal Schumm. Štandardný model prirovnal k „špičke ľadovca“, v ktorej je špička pozorovaná a dobre pochopená, aj keď presne nevieme, čo je pod vodou. „Vsadil by som akúkoľvek sumu peňazí [the Standard Model] nikdy nebude prevrátený ako reprezentácia tej špičky ľadovca,“ uvažoval.

Zistite viac o časticovej fyzike:

About the author

pocox3

poco lofya max founder of swahli afya and creater content I am from kenya in the north to the southern border of Tanzania in the south. kiSwahili or Kiswahili

Leave a Comment