Пятая сила - Fifth force

В физике есть четыре наблюдаемых фундаментальные взаимодействия (неформально, «фундаментальные силы»), лежащие в основе всех известных взаимодействий в природе: гравитационный, электромагнитный, сильный ядерный, и слабый ядерный силы. Некоторые умозрительные теории предложили пятая сила для объяснения различных аномальных наблюдений, которые не соответствуют существующим теориям. Характеристики этой пятой силы зависят от выдвигаемой гипотезы. Многие постулируют силу примерно как силу гравитации (т.е., он намного слабее, чем электромагнетизм или ядерные силы ) с диапазоном от менее миллиметра до космологического масштаба. Другое предложение - новая слабая сила при посредничестве W ′ и Z ′ бозоны.

Поиск пятой силы увеличился в последние десятилетия благодаря двум открытиям в космология которые не объясняются текущими теориями. Было обнаружено, что большая часть массы Вселенной приходится на неизвестную форму материи, называемую темная материя. Большинство физиков считают, что темная материя состоит из новых, неоткрытых субатомных частиц,[1] но некоторые считают, что это могло быть связано с неизвестной фундаментальной силой. Во-вторых, недавно было обнаружено, что расширение вселенной ускоряется, что было приписано форме энергии, называемой темная энергия. Некоторые физики предполагают, что форма темной энергии, называемая квинтэссенция может быть пятая сила.[2][3][4]

Экспериментальные подходы

Новую фундаментальную силу может быть трудно проверить. Гравитация, например, настолько слабая сила, что гравитационное взаимодействие между двумя объектами имеет значение только тогда, когда один из них имеет большую массу. Следовательно, требуется очень чувствительное оборудование для измерения гравитационного взаимодействия между объектами, которые малы по сравнению с Землей. Новая (или «пятая») фундаментальная сила также может быть слабой и поэтому ее трудно обнаружить. Тем не менее, в конце 1980-х годов исследователи сообщили о пятой силе, действующей в муниципальных масштабах (т.е. с дальностью около 100 метров) (Fischbach и другие.)[5] кто повторно анализировал Результаты Лоранд Этвеш из более раннего века. Считалось, что сила связана с сверхзаряд. В течение ряда лет другие эксперименты не смогли повторить этот результат.[6]

Существует как минимум три вида поиска, которые могут быть предприняты, в зависимости от вида рассматриваемой силы и ее диапазона.

Принцип эквивалентности

Один из способов поиска пятой силы - это испытания сильных принцип эквивалентности: это одна из самых мощных проверок теории гравитации Эйнштейна: общая теория относительности. Альтернативные теории гравитации, такие как Теория Бранса – Дике, иметь пятую силу - возможно, с бесконечным диапазоном. Это связано с тем, что гравитационные взаимодействия в теориях, отличных от общей теории относительности, имеют степени свободы кроме "метрика", что диктует кривизна пространства, и разные виды степеней свободы производят разные эффекты. Например, скалярное поле не может произвести искривление световых лучей.

Пятая сила проявится в воздействии на орбиты солнечной системы, называемом Эффект Нордтведта. Это проверено с помощью Лунный лазерный эксперимент[7] и интерферометрия с очень длинной базой.

Дополнительные размеры

Другой вид пятой силы, возникающий в Теория Калуцы – Клейна, где вселенная дополнительные размеры, или в супергравитация или теория струн это Сила Юкавы, которое передается легким скалярным полем (т. е. скалярным полем с длинной Комптоновская длина волны, определяющий диапазон). Это вызвало в последнее время большой интерес, поскольку теория суперсимметричный большие дополнительные размеры - размеры чуть меньше миллиметра - побудили экспериментальную попытку проверить гравитацию на этих очень маленьких масштабах. Это требует чрезвычайно чувствительных экспериментов, которые ищут отклонения от закон обратных квадратов силы тяжести на разных расстояниях.[8] По сути, они ищут признаки того, что взаимодействие Юкавы в определенной степени набирает обороты.

Австралийские исследователи, пытаясь измерить гравитационная постоянная глубоко в шахте обнаружено несоответствие между прогнозируемым и измеренным значением, при этом измеренное значение на два процента меньше. Они пришли к выводу, что результаты могут быть объяснены пятой силой отталкивания в диапазоне от нескольких сантиметров до километра. Подобные эксперименты проводились на подводной лодке. USS Дельфин (AGSS-555), находясь глубоко под водой. Дальнейший эксперимент по измерению гравитационной постоянной в глубокой скважине в ледниковом щите Гренландии обнаружил расхождения в несколько процентов, но не удалось устранить геологический источник наблюдаемого сигнала.[9][10]

Мантия земли

Другой эксперимент использует Мантия земли как детектор гигантских частиц, фокусируясь на геоэлектроны.[11]

Цефеид переменные

Джайн и другие. (2012)[12] изучили существующие данные о частоте пульсации более тысячи переменная цефеида звезды в 25 галактиках. Теория предполагает, что частота пульсации цефеид в галактиках, экранированных от гипотетической пятой силы соседними скоплениями, будет следовать другой схеме, чем цефеиды, которые не экранированы. Они не смогли найти никаких отклонений от теории гравитации Эйнштейна.

Другие подходы

В некоторых экспериментах использовалось озеро и башня, 320 кв.м. высоко.[13] Всесторонний обзор, проведенный Эфраимом Фишбахом и Карриком Талмаджем, показал, что не существует убедительных доказательств существования пятой силы.[14] хотя ученые все еще ищут его. Статья Фишбаха-Талмаджа была написана в 1992 году, и с тех пор появились другие доказательства, которые могут указывать на пятую силу.[15]

Вышеупомянутые эксперименты ищут пятую силу, которая, как и гравитация, не зависит от состава объекта, поэтому все объекты испытывают силу пропорционально своей массе. Силы, зависящие от состава объекта, могут быть очень чувствительны торсионный баланс эксперименты типа изобретены Лоранд Этвеш. Такие силы могут зависеть, например, от соотношения протоны к нейтроны в атомном ядре, ядерный спин,[16] или относительное количество различных видов энергия связи в ядре (см. полуэмпирическая формула массы ). Поиски проводились от очень коротких до муниципальных масштабов, до масштабов Земля, Солнце и темная материя в центре галактики.

Модифицированная гравитация

Также известен как нелокальная гравитация. Некоторые физики думают, что теорию гравитации Эйнштейна придется модифицировать - не в малых масштабах, а на больших расстояниях или, что эквивалентно, при малых ускорениях.[17][18][19] Это изменило бы силу тяжести на нелокальную силу.[нужна цитата ] Они указывают, что темная материя и темная энергия необъяснимы Стандартная модель из физика элементарных частиц и предполагают, что необходима некоторая модификация гравитации, возможно, из-за модифицированная ньютоновская динамика или голографический принцип. Это фундаментально отличается от традиционных представлений о пятой силе, поскольку она усиливается по сравнению с гравитацией на больших расстояниях. Большинство физиков,[кто? ] однако думайте, что темная материя и темная энергия не для этого случая, но поддерживаются большим количеством дополнительные наблюдения и описывается очень простой моделью.

Возможные доказательства

Основная статья: X17 частица

В 2015 г. Аттила Краснахоркай в АТОМКИ, Институт ядерных исследований Венгерской академии наук в Дебрецен, Венгрия и его коллеги постулировали существование новый легкий бозон (17 МэВ) всего в 34 раза тяжелее электрона.[20] В попытке найти темный фотон, венгерская команда выпустила протоны по тонким мишеням из лития-7, что создало нестабильные бериллий-8 ядра, которые затем распались и выплюнули пары электронов и позитронов. Избыточные распады наблюдались при угле раскрытия 140 ° между е+ и е−и суммарная энергия 17 МэВ, что указывает на то, что небольшая часть бериллия-8 будет выделять избыточную энергию в виде новой частицы.

Джонатан Фенг и др. (2016)[21] предположил, что протофобный (т.е. "игнорирующий протоны") X-бозон с массой 16,7 МэВ с подавленными взаимодействиями с протонами относительно нейтронов и электронов и фемтометр диапазон может объяснить данные. Сила может объяснить г−2 мюонная аномалия и предоставить кандидата темной материи. В настоящее время проводится несколько исследовательских экспериментов, чтобы попытаться подтвердить или опровергнуть эти результаты.[20][22]

В ноябре 2019 года Краснахоркай объявил, что он и его команда в ATOMKI успешно наблюдали те же аномалии в распаде стабильных атомов гелия, которые наблюдались в бериллии-8, что усиливает аргументы в пользу существования частицы X17. Об этом сообщили через научная журналистика, сосредоточив основное внимание на последствиях существования частицы X17 и соответствующей пятой силы в поисках темной материи. Говоря с Независимый, Сказал Краснахоркай, «если существование частицы будет подтверждено, это означает, что физикам придется, наконец, переоценить взаимодействие существующих четырех фундаментальных сил физики элементарных частиц и освободить место для пятой».[23]

Группа ATOMKI утверждала, что обнаружила различные другие новые частицы ранее в 2016 году, но отказалась от этих заявлений позже, без объяснения причин появления ложных сигналов. Группу также обвиняли в сбор вишни результаты, которые поддерживают новые частицы при отказе нулевые результаты.[24][25]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Чоун, Маркус (17 августа 2011 г.). «На самом деле темная материя: Вселенная состоит из дыр?». Новый ученый. Практически все думают, что эта так называемая темная материя состоит из до сих пор не открытых субатомных частиц.
  2. ^ Веттерих, К. «Квинтэссенция - пятая сила из вариации основного строя» (PDF). Гейдельбергский университет.
  3. ^ "[название не указано]" (PDF). ЦЕРН.
  4. ^ Чиколи, Микеле; Педро, Франсиско Дж .; Тасинато, Джанмассимо (2012). «Природная квинтэссенция теории струн». Журнал космологии и физики астрономических частиц. 2012 (7): 044. arXiv:1203.6655. Дои:10.1088/1475-7516/2012/07/044.
  5. ^ Фишбах, Ефрем; Сударский, Даниил; Шафер, Аарон; Талмадж, Каррик; Аронсон, С. (6 января 1986 г.). «Повторный анализ эксперимента Этвёша». Письма с физическими проверками. 56 (1): 3–6. Bibcode:1986ПхРвЛ..56 .... 3Ф. Дои:10.1103 / PhysRevLett.56.3. PMID  10032514.
  6. ^ «Группа Эт-Вош». Вашингтонский университет. - ведущая группа ищет пятую силу.
  7. ^ "Лунный лазерный дальномер". Архивировано из оригинал 28 ноября 2016 г.. Получено 7 мая 2005.
  8. ^ «Спутниковая энергетическая биржа (СПЭ)». Архивировано из оригинал 7 мая 2005 г.. Получено 7 мая 2005., который настроен на испытание пятой силы в космосе, где можно достичь большей чувствительности.
  9. ^ Андер, Марк Э .; и другие. (27 февраля 1989 г.). «Проверка закона обратных квадратов Ньютона в ледяной шапке Гренландии». Письма с физическими проверками. 62 (9): 985–988. Bibcode:1989ПхРвЛ..62..985А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.62.985. PMID  10040395.
  10. ^ Zumberge, Mark A .; и другие. (1990). «Гренландский эксперимент с гравитационной постоянной». Журнал геофизических исследований (Представлена ​​рукопись). 95 (B10): 15483. Bibcode:1990JGR .... 9515483Z. Дои:10.1029 / JB095iB10p15483.
  11. ^ Арон, Джейкоб (2013). «Мантия Земли помогает охотиться за пятой силой природы». Новый ученый.
  12. ^ Джайн, Бхувнеш; Викрам, Вину; Сакштейн, Джереми (25 ноября 2013 г.). «Астрофизические тесты модифицированной гравитации: ограничения от индикаторов расстояния в ближайшей Вселенной». Астрофизический журнал. 779 (1). arXiv:1204.6044. Bibcode:2013ApJ ... 779 ... 39J. Дои:10.1088 / 0004-637X / 779/1/39. 39.
  13. ^ Лю, И-Чэн; Ян, Синь-Шэ; Чжу, Хэн-Бинь; Чжоу Вэнь-Ху; Ван, Цянь-Шэнь; Чжао, Чжи-Цян; Цзян, Вэй-Вэй; У, Чуань-Чжэнь (сентябрь 1992 г.). «Проверка неньютоновской гравитации на 320-метровой башне». Письма о физике A. 169 (3): 131–133. Bibcode:1992ФЛА..169..131Л. Дои:10.1016/0375-9601(92)90582-7.
  14. ^ Фишбах, Ефрем; Талмадж, Каррик (19 марта 1992 г.). «Шесть лет пятой силы». Природа. 356 (6366): 207–215. Bibcode:1992Натура.356..207F. Дои:10.1038 / 356207a0.
  15. ^ Jenkins, Jere H .; Фишбах, Ефрем; Банчер, Джон Б.; Gruenwald, John T .; Краузе, Деннис Э .; Мэттс, Джошуа Дж. (Август 2009 г.). «Свидетельства корреляции между скоростью распада ядер и расстоянием Земля – Солнце». Физика астрономических частиц. 32 (1): 42–46. arXiv:0808.3283. Bibcode:2009APh .... 32 ... 42J. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2009.05.004.
  16. ^ Холл, A.M .; Armbruster, H .; Fischbach, E .; Талмадж, К. (1991). «Чувствит ли эксперимент Этвёша к вращению?». В Хванге W.-Y. Паучи; и другие. (ред.). Прогресс в физике высоких энергий. Нью-Йорк: Эльзевир. С. 325–339.
  17. ^ Додельсон, С .; Парк, С. (2014). «Нелокальная гравитация и структура во Вселенной». Физический обзор D. 90 (4): 043535. arXiv:1310.4329. Bibcode:2014ПхРвД..90д3535Д. Дои:10.1103 / PhysRevD.90.043535.
  18. ^ Жаккар, Маджоре (2013). «Нелокальная теория массивной гравитации». Физический обзор D. 88 (4): 044033. arXiv:1305.3034. Bibcode:2013PhRvD..88d4033J. CiteSeerX  10.1.1.742.8873. Дои:10.1103 / PhysRevD.88.044033.
  19. ^ Машхун, Бахрам (2011). «Нелокальная гравитация». arXiv:1101.3752 [gr-qc ].
  20. ^ а б Картлидж, Эдвин (2016). «Обнаружила ли венгерская физическая лаборатория пятую силу природы?». Природа. Дои:10.1038 / природа.2016.19957.
  21. ^ «Заявление о новом бозоне требует пристального внимания». Журнал Quanta. Получено 24 ноября 2019.
  22. ^ Feng, J. L .; и другие. (2016). "Протофобная интерпретация пятой силы наблюдаемой аномалии в 8Будьте ядерными переходами ». Письма с физическими проверками. 117 (7): 071803. arXiv:1604.07411. Bibcode:2016ПхРвЛ.117г1803Ф. Дои:10.1103 / PhysRevLett.117.071803. PMID  27563952.
  23. ^ «Ученые, возможно, открыли пятую силу природы, - сообщает лаборатория». Независимый. Великобритания. Получено 26 ноября 2019.
  24. ^ Вулховер, Натали (7 июня 2016 г.). «Доказательства« пятой силы »подвергаются тщательной проверке - лаборатория в Венгрии сообщила об аномалии, которая может привести к революции в физике. Но даже по мере нарастания ажиотажа, более тщательное изучение раскрыло тревожную предысторию». Журнал Quanta. Получено 20 ноября 2019.
  25. ^ Сигел, Итан (26 ноября 2019 г.). «Вот почему частицы« X17 »и новая пятая сила, вероятно, не существуют». Forbes. Получено 2019-11-28.