Fünfte grundlegende Interaktion: Wahrheit oder Fiktion?
Der Autor des Artikels ist Don Lincoln, ein leitender Wissenschaftler im Labor des Fermilab LHC, der unter der Schirmherrschaft des US-Energieministeriums arbeitet. Kürzlich schrieb er ein Buch mit dem Titel The Large Hadron Collider: Eine ungewöhnliche Geschichte über das Higgs-Boson und andere Dinge, die Sie in Erstaunen versetzen werden .Die Wissenschaft hat eine komplexe Beziehung zum Internet: Die Wissenschaft schreitet voran, indem sie Daten und Theorie sorgfältig und gründlich bewertet. Dieser Prozess kann Jahre dauern. Und im Internet erinnert die Konzentrationsfähigkeit des Publikums an Dorys Disney-Fisch aus dem Film "Finding Nemo" (und jetzt "Finding Dory") - es gibt ein Mem, hier ist ein Sternbild ... Oh, sieh mal - eine lustige Katze ...Daher sollten Menschen, die sich für ernsthafte Wissenschaft interessieren, vorsichtig mit Informationen sein, die im Internet veröffentlicht werden und eine wissenschaftliche Studie enthalten, die das Paradigma der Wissenschaft grundlegend verändert. Ein aktuelles Beispiel ist ein Artikel, der über die mögliche Entdeckung einer fünften grundlegenden Interaktion argumentiert. Wenn das der Fall wäre, müssten wir die Lehrbücher neu schreiben.Als Physiker möchte ich diese Aussage diszipliniert wissenschaftlich beleuchten.Fünfte Interaktion
Also, was wird behauptet?In einem Artikel, der am 7. April 2015 auf arXiv veröffentlicht wurde, beschrieb eine Gruppe ungarischer Forscher eine Studie zum Verhalten eines intensiven Protonenstrahls auf dünnen Lithiumtargets. Die detektierten Kollisionen erzeugten angeregte Beryllium-8-Kerne, die in gewöhnliche Berrylium-8- und Elektron-Positron-Paare zerfielen.
Sie gaben an, dass die erhaltenen Daten nicht durch bekannte physikalische Phänomene im Standardmodell erklärt werden könnten, das die moderne Teilchenphysik regelt. Eine Erklärung dieser Daten war jedoch mit der Existenz eines bisher unbekannten Teilchens mit einer Masse von 17 Millionen eV möglich, das 32,7-mal schwerer als ein Elektron oder 2% der Masse eines Protons ist. Teilchen, die bei solchen Energien auftreten, die für moderne Verhältnisse recht niedrig sind, sind gut untersucht. Und es wäre sehr unerwartet, wenn dort ein neuer entdeckt würde.Die Messungen wurden jedoch einer Expertenbewertung unterzogen und am 26. Januar 2016 in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht , einer der renommiertesten Fachzeitschriften für Physik der Welt. In dieser Veröffentlichung haben Forscher und ihre Forschung eine beeindruckende Hürde überwunden.Diese Messung wurde kaum bemerkt, bis eine Gruppe theoretischer Physiker der University of California in Irvine (UCI) darauf achtete. Und wie es Theoretiker mit kontroversen physikalischen Messungen normalerweise tun, verglich das Team sie mit bestehenden Arbeiten, die in den letzten hundert Jahren gesammelt wurden, um festzustellen, ob die neuen Daten mit den bereits gesammelten Informationen übereinstimmen. In diesem Fall verglichen sie mit einem Dutzend veröffentlichter Studien.Sie fanden heraus, dass die Messungen zwar nicht im Widerspruch zu früheren Studien standen, sie jedoch etwas beobachteten, das zuvor nicht angetroffen worden war - und etwas, das mit dem Standardmodell nicht erklärt werden konnte.Neue theoretische Plattform
Um die ungarischen Dimensionen zu verstehen, hat diese Gruppe von Theoretikern der UCI eine neue Theorie entwickelt.Diese Theorie ist sehr exotisch. Sie begannen mit einer vernünftigen Annahme, dass das neue mögliche Teilchen nicht durch die bestehende Theorie erklärt wird. Dies ist sinnvoll, da ein mögliches neues Teilchen eine kleine Masse hat und wenn es durch die bekannten Gesetze der Physik beschrieben worden wäre, wären sie früher gefunden worden. Wenn dieses Teilchen den neuen Gesetzen der Physik gehorcht, liegt möglicherweise eine neue Wechselwirkung vor. Da Physiker traditionell über vier bekannte fundamentale Wechselwirkungen sprechen (Schwerkraft, Elektromagnetismus, stark und schwach), wurde diese neue hypothetische Wechselwirkung als „fünfte“ bezeichnet.Die Geschichte der Theorien und Entdeckungen der fünften Interaktion ist sehr vielfältig, dauert mehrere Jahrzehnte und innerhalb ihres Rahmens entstanden neue Dimensionen und Ideen, die später verschwinden. Auf der anderen Seite gibt es Rätsel, die mit der gewöhnlichen Physik nicht erklärt werden können - zum Beispiel dunkle Materie. Obwohl dunkle Materie immer als die einzige Form eines stabilen massiven Teilchens modelliert wurde, das der Schwerkraft ausgesetzt ist, und nicht als eine der anderen bekannten Kräfte, gibt es keine Gründe, warum dunkle Materie nicht an solchen Wechselwirkungen teilnehmen würde, an denen gewöhnliche nicht teilnehmen. Schließlich ist gewöhnliche Materie an Interaktionen beteiligt, an denen die Dunkelheit nicht beteiligt ist - also gibt es hier nichts Dummes.
Es gibt viele Ideen zu Wechselwirkungen, die nur dunkle Materie betreffen, und sie werden allgemein als " komplexe dunkle Materie" bezeichnet.". Eine der bekannten Ideen spricht von der Existenz eines dunklen Photons, das mit einer dunklen Ladung interagiert, die nur durch dunkle Materie übertragen wird. Dieses Teilchen ist ein dunkles Analogon eines Photons gewöhnlicher Materie, das mit einer uns bekannten elektrischen Ladung interagiert, aber mit einer Ausnahme: Einige Theorien komplexer dunkler Materie verleihen Dunkelheit Massenphotonen im Gegensatz zu gewöhnlichen Photonen.Wenn dunkle Photonen existieren, können sie sich an gewöhnliche Materie (und gewöhnliche Photonen) binden und in Elektron-Positron-Paare zerfallen, die die Gruppe untersuchte Da dunkle Photonen nicht mit einer gewöhnlichen elektrischen Ladung interagieren, kann diese Verbindung nur aufgrund der Macken der Quantenmechanik entstehen. Wenn Wissenschaftler jedoch einen Anstieg der Elektron-Positron-Paare beobachten würden, könnte dies bedeuten, dass sie dunkle Photonen beobachten.Die Irvine-Gruppe fand ein Modell, das ein „protophobes“ Partikel enthielt, das durch frühe Messungen nicht ausgeschlossen wurde und das ungarische Ergebnis erklären konnte. "Protophobe", dh "protonenvermeidende" Teilchen, interagieren selten oder fast nie mit Protonen, können aber mit Neutronen (neutrophil) interagieren.Das von der Irvine-Gruppe vorgeschlagene Teilchen ist an der fünften, unbekannten Wechselwirkung beteiligt, die in einem Abstand von 12 Femtometern oder 12-mal größer als die Größe des Protons auftritt. Das Partikel ist protophob und neutrophil. Die Teilchenmasse beträgt 17 Millionen eV und kann in Elektron-Positron-Paare zerfallen. Zusätzlich zur Erklärung des ungarischen Experiments könnte ein solches Teilchen auch einige Inkonsistenzen erklären, die in anderen Experimenten gefunden wurden. Letzteres verleiht dieser Idee ein wenig Gewicht.Eine paradigmenwechselnde Interaktion?
So ist es.Was könnte wahr sein? Daten sind die Hauptsache. Andere Experimente sind erforderlich, um die Änderungen zu bestätigen oder zu widerlegen. Alles andere spielt keine Rolle. Aber das wird ungefähr ein Jahr dauern, und es wäre schön, in dieser Zeit eine Idee zu haben. Der beste Weg, um die Wahrscheinlichkeit zu beurteilen, dass sich eine Entdeckung als real herausstellt, besteht darin, den Ruf der Forscher zu untersuchen, die an dem Experiment teilgenommen haben. Dies ist natürlich eine vulgäre Art, Wissenschaft zu betreiben, aber es kann Ihre Erwartungen dämpfen.Beginnen wir mit der Irvine-Gruppe. Viele von ihnen (insbesondere Manager) haben einen guten Ruf und sind etablierte Experten auf diesem Gebiet. Sie haben gute Jobs im Lebenslauf. Das Alter der Gruppe ist unterschiedlich, es gibt sowohl ältere als auch junge Teilnehmer. Ich persönlich kenne einige von ihnen, zwei von ihnen haben die theoretischen Teile in den Kapiteln eines Buches gelesen, das ich geschrieben habe, um sicherzustellen, dass ich dort nichts Dummes getan habe (sie haben übrigens keine Fehler gefunden, aber sie haben geholfen, einige Punkte zu klären). Dies erklärt meinen Respekt vor den Mitgliedern der Irvine-Gruppe, obwohl es mich voreingenommen machen kann. Ich bin mir fast sicher, dass ihre Arbeit beim Vergleich des neuen Modells mit vorhandenen Daten gründlich und professionell war. Sie entdeckten eine kleine und unerforschte Region möglicher Theorien.Andererseits ist die Theorie selbst eher spekulativ und unwahrscheinlich. Dies ist kein Satz - das ist bei allen Theorien der Fall. Immerhin ist das Standardmodell für die Teilchenphysik seit 50 Jahren bekannt und gut bekannt. Darüber hinaus sind alle neuen Theorien spekulativ und unwahrscheinlich, und die meisten von ihnen sind falsch. Dies ist auch kein Satz. Es gibt viele Möglichkeiten, bestehende Theorien zu korrigieren, um neue Phänomene zu erklären. Und alles kann nicht wahr sein. Und manchmal ist keine der vorgeschlagenen Theorien wahr.Aufgrund des Rufs der Gruppenmitglieder kann jedoch der Schluss gezogen werden, dass sie auf eine neue Idee gekommen sind und diese mit allen für sie relevanten Daten verglichen haben. Die Tatsache, dass sie ihr Modell veröffentlicht haben, bedeutet, dass es ihre Tests bestanden hat und eine plausible, wenn auch unwahrscheinliche Gelegenheit blieb.Was ist mit der ungarischen Gruppe? Ich kenne keinen von ihnen persönlich, aber der Artikel wurde in Physical Review Letters veröffentlicht - dies geht bereits zu ihrem Vorteil. Diese Gruppe veröffentlichte jedoch zwei frühere Arbeiten, in denen ähnliche Anomalien beobachtet wurden, darunter ein mögliches Partikel mit einem Gewicht von 12 Millionen eV und ein Partikel mit einem Gewicht von 14 Millionen eV . Beide Arbeiten wurden durch andere Experimente widerlegt.Ferner erklärte die ungarische Gruppe nicht, was die Fehler in den widerlegten Werken verursachte. Ein weiterer Hinweis ist, dass die Gruppe selten Daten veröffentlicht, die keine Anomalien enthalten. Dies ist unwahrscheinlich. In meiner Forschungskarriere haben die meisten Veröffentlichungen bestehende Theorien unterstützt. Wiederkehrende Anomalien sind sehr selten.Was ist das Endergebnis? Soll ich mich über eine neue Entdeckung freuen? Natürlich sind mögliche Entdeckungen immer interessant. Das Standardmodell hat sich seit 50 Jahren bewährt, aber es gibt ungeklärte Rätsel, und die wissenschaftliche Gemeinschaft sucht immer nach Entdeckungen, die auf neue und unbewiesene Theorien hinweisen. Aber wie hoch sind die Chancen, dass diese Messung und Theorie die wissenschaftliche Gemeinschaft dazu veranlassen wird, die Existenz einer fünften Wechselwirkung mit einem Aktionsradius von 12 fm und einem Teilchen zu akzeptieren, das vor Protonen vorsichtig ist? Es scheint mir, dass es nur wenige Chancen gibt. Ich bin nicht optimistisch über die Idee.Natürlich ist eine Meinung nur eine Meinung, auch wenn sie informativ ist. Andere Experimente werden ebenfalls nach dunklen Photonen suchen, denn selbst wenn die ungarischen Messungen die Überprüfung nicht bestehen, besteht ein Problem mit der dunklen Materie. Viele Experimente auf der Suche nach dunklen Photonen werden denselben Parameterraum (Energie-, Massen- und Zerfallsmodi) untersuchen, in dem laut ungarischen Forschern eine Anomalie gefunden wird. Bald im Laufe des Jahres werden wir herausfinden, ob diese Anomalie eine Entdeckung oder ein anderer Fehler war, der die Community vorübergehend störte, sodass sie nach Erhalt genauerer Daten verworfen werden konnte. Aber egal wie es endet, es wird immer noch zu einer verbesserten Wissenschaft führen.Source: https://habr.com/ru/post/de397345/
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