Czego nie wiemy z fizyki

Stojąc na schodkach przeciwpożarowych swojego biura w Genewie w Szwajcarii, adiunkt fizyki Steven Nahn, dr '98, cieszy się wieczornym powietrzem, wyliczając niektóre z największych tajemnic wszechświata. Mówi, że pytanie, nad którym pracuje, jest tak proste, że dziecko mogłoby je zadać: Skąd bierze się masa?

Kosmiczny detektyw: Profesor Gabriella Sciolla zbudowała aparat do wykrywania ciemnej materii.

Odpowiedź na nie wymaga wyjaśnienia, dlaczego fundamentalne cząstki, z których składa się cała materia we wszechświecie, mają masę. Tak więc Nahn wraz z około 30 innymi badaczami i studentami z MIT pracuje nad eksperymentami nad Wielkim Zderzaczem Hadronów, nowym akceleratorem cząstek z siedzibą w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych. LHC jest ćwiczeniem ekstremalnym: w temperaturach bliskich zeru absolutnego przyspieszy cząstki do najwyższych energii, jakie kiedykolwiek osiągnięto eksperymentalnie, a jego tysiące potężnych magnesów prowadzi protony po torze kołowym o obwodzie 27 kilometrów, aż do zderzenia. Instrument ma być w pełni operacyjny jeszcze w tym roku, a Nahn sądzi, że spędzi tam pół roku; jego studenci i inni badacze spędzają większość czasu w LHC. Każdy chce być częścią zespołu badającego jedno z największych pytań w fizyce.

Uważam to za ironię, rozmyśla Nahn. Wydaje się, że to bardzo proste pytanie, ale znalezienie właściwej odpowiedzi wymaga ogromnego akceleratora i tysięcy fizyków pracujących nad nim.

Wiele innych pytań kierowanych przez fizyków z MIT jest równie podstawowych. Kolejny duży problem, który mogą rozwiązać eksperymenty LHC, dotyczy natury około 23 procent wszechświata – tak zwanej ciemnej materii, której istnienie wnioskuje się z efektów grawitacyjnych na widzialnych obiektach. Fizycy po prostu nie wiedzą, co to jest. Gdzie są wszystkie rzeczy? – mówi Nahn pół żartem. Można by pomyśleć, że wiemy.

Dodatkowe informacje : „Czego jeszcze nie wiemy”

Bycie fizykiem to zastanawianie się nad tym, co reszta z nas przyjmuje za pewnik – że obiekty mają masę, że wszechświat składa się z materii, a nie z antymaterii, że działa grawitacja.

Fizycy na całym świecie pracują obecnie nad rozszerzeniem i zrewidowaniem listy części wszechświata – tak zwanego modelu standardowego, zwartej destylacji około 100 lat badań, która ma na celu opisanie cząstek i sił, które odpowiadają za wszystkie zjawiska fizyczne. Model standardowy obejmuje 12 podstawowych cząstek, które tworzą materię, jaką znamy, oraz ich równe, ale przeciwne antycząstki. Obejmuje cztery podstawowe siły rządzące interakcjami między cząstkami: grawitację, elektromagnetyzm (odpowiedzialny za światło, magnetyzm i elektryczność) oraz siły silne i słabe (które pośredniczą w oddziaływaniach w jądrach atomowych). I obejmuje cząstki, które przenoszą cztery siły – chociaż ta, która przenosi grawitację, pozostaje hipotetyczna.

Ta struktura łączy wszystko, o czym fizycy cząstek elementarnych wiedzą, że jest prawdziwe. Mówi nam, że jądra atomowe, niegdyś uważane za niepodzielne, składają się z protonów i neutronów; protony i neutrony dzielą się dalej na cząstki zwane kwarkami, które są utrzymywane razem przez silne oddziaływanie, którego nośnikiem jest gluon.

Profesor Frank Wilczek, który w 2004 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za pracę nad siłami silnymi, mówi, że model standardowy jest dobrym, roboczym opisem tego, jak działa świat. Ale to nie wszystko pasuje do siebie tak dobrze, jak on i inni uważają, że powinno. Brak eksperymentalnych dowodów na nośnik grawitacji, grawiton, jest jednym ze źródeł frustracji – chociaż fizycy z MIT odegrali pionierską rolę w próbach jego wykrycia i obecnie ulepszają maszyny, które mogą być pierwszymi, które mogą odnieść sukces (zob. Łapanie fal Einsteina, maj /czerwiec 1008). A to tylko jeden z kilku głównych problemów, które fizycy z MIT próbują związać.

W tym celu budują detektory ciemnej materii; poszukiwanie cząstek fundamentalnych uzupełniających te, które znamy; i z niecierpliwością czekamy na wyniki zderzeń cząstek w LHC, które w końcu pozwolą fizykom przetestować dziesięciolecia teoretycznych prac nad tymi surowymi matematycznymi opisami naszego wszechświata.

Dlaczego rzeczy mają mszę?

Dla Nahna najbardziej intrygującym brakującym elementem układanki jest masa. Jeśli weźmiesz tylko najprostszą teorię, powie ci, że wszystkie [cząstki] są bezmasowe, mówi. Niezależnie od tego, czy jesteś laikiem, czy fizykiem uzbrojonym w wyrafinowane detektory cząstek, ta perspektywa wydaje się absurdalna. Elektrony, które stanowią znikomy ułamek masy poszczególnych atomów, mają masę około 0,0005 gigaelektronowoltów (GeV); najcięższa cząstka fundamentalna, kwark górny, ma masę około 175 GeV. W jakiś sposób trzeba włączyć do teorii sposób na wygenerowanie tej różnorodności masy, mówi Nahn. Najprostszym sposobem na to jest umieszczenie innej cząstki, którą nazwano bozonem Higgsa. Czym fotony są dla pola elektromagnetycznego, bozony Higgsa są dla domniemanego pola Higgsa, ośrodka, który otacza wszystko we wszechświecie i oddziałuje z cząstkami elementarnymi w sposób, który nadaje im masę.

Wilczek mówi, że bez bozonu Higgsa jesteśmy jak rasa inteligentnych ryb, które nie wiedzą, że są zanurzone w wodzie. Ryby te miałyby większą szansę na zrozumienie praw ich wszechświata, gdyby zdały sobie sprawę, że środowisko, które uważały za oczywiste, było materiałem, który zmodyfikował sposób ich poruszania się, mówi Wilczek. Podobnie, jeśli założymy, że to, co jawi się nam jako pusta przestrzeń, jest medium… mamy ładniejsze równania niż w innych przypadkach. Ale nie wiemy, jak wygląda [bozon Higgsa] – tak jakbyśmy nie widzieli cząsteczek wody.

Fizycy z łatwością przyznają, że niewtajemniczonym, powołującym się na hipotetyczne, nigdy nie widziane cząstki w celu rozwiązania problemów z twoimi teoriami, mogą wydawać się wymyślone, a nawet, słowami Nahna, nieco szalone. Ale to podejście już wcześniej okazało się słuszne. Pod koniec XIX wieku Dmitri Mendelejew opracował układ okresowy pierwiastków i przewidział kilka pierwiastków chemicznych, które później zaobserwowano, w tym gal i german. W 1931 roku Paul Dirac postulował istnienie antymaterii, aby wyjaśnić zagadkową konsekwencję równania, które wyprowadził, aby pogodzić nasze rozumienie elektronów z teorią względności. Wilczek z MIT przewidział gluon, który został bezpośrednio wykryty w 1979 roku.

Ponieważ bozony Higgsa są bardzo niestabilne, jedynym sposobem ich zaobserwowania jest wytworzenie go w zderzeniu wysokoenergetycznym. Żadne poprzednie akceleratory cząstek nie były wystarczająco silne, aby wytworzyć wiarygodnie wykrywalną liczbę bozonów Higgsa, które mają mieć masę od 114 GeV do 184 GeV. Jednakże LHC zderza protony z energiami siedmiokrotnie wyższymi niż te osiągane przez najpotężniejszy obecnie działający akcelerator. Musimy znaleźć tę cząstkę Higgsa lub coś podobnego w tej skali energetycznej, mówi Nahn. Fizycy mają nadzieję, że znajdą Higgsa, ponieważ jeśli tego nie zrobią, będą zmuszeni dojść do wniosku, że problem masy modelu standardowego ma bardziej złożone rozwiązanie. Ale dla wielu z nich – w tym Nahna – jest to wystarczająco ekscytujące, aby móc w końcu przetestować teorię Higgsa eksperymentalnie. Nowy zderzacz, który został wyłączony z powodu naprawy wkrótce po otwarciu jesienią, ma zostać ponownie uruchomiony wiosną 2009 roku; do tego czasu Nahn i jego uczniowie pracują nad oprogramowaniem, które będzie monitorować działanie jednego z detektorów LHC i ostatecznie analizować generowane przez niego dane (zob. The Making of a New Collider, maj/czerwiec 2008).

Czy cztery siły są zjednoczone?

Teoretycy tacy jak Wilczek próbują również uczynić sam model standardowy bardziej matematycznie pięknym i eksperymentalnie wykonalnym. Każda z czterech sił ma swój własny zestaw równań rządzących. Ale równania są przekrzywione, mówi Wilczek. On i inni uważają jednak, że siły są jak cztery strony matematycznej kości. Są dyskretne, ale każdy jest też częścią całości. Wilczek zwraca uwagę, że chociaż siły mają na ogół różne siły, to dla cząstek bardzo blisko siebie mają one taką samą siłę. Sugeruje to, że matematyczny impuls do połączenia sił w całość rządzoną przez teorię wielkiej unifikacji jest na dobrej drodze. Elektromagnetyzm i słaba siła pasują do siebie matematycznie na tyle dobrze, że już często określa się je jako jedną siłę, elektrosłabą. Równania siły silnej są podobne do równań elektromagnetyzmu i siły słabej. Jedyne, w co trudno się wpasować, mówi Wilczek, to grawitacja.

Może wydawać się dziwne, że fizycy tak bardzo wierzą w przewidywania matematyczne. Wilczek mówi jednak, że nie ufam własnym opiniom, chyba że natura nas zachęci. To chyba nie przypadek, że równania są tak podobne, zauważa. Siły nie musiały się łączyć, mówi. Równania nie musiały wyglądać jak różne twarze tej samej kostki.

Wilczek nie miał jeszcze satysfakcji z eksperymentalnego urzeczywistnienia unifikacji: fizycy po prostu nie mieli środków. Istnieje jednak sposób na przetestowanie teorii. Dodanie kolejnej partii cząstek do standardowego modelu sprawia, że ​​matematyka do unifikacji działa. Każda z tych teoretycznych supersymetrycznych cząstek oddziaływałaby z innymi cząstkami w taki sam sposób, jak jedna ze znanych cząstek, ale byłaby znacznie masywniejsza. Wilczek ma nadzieję, że wysokoenergetyczne zderzenia LHC wytworzą co najmniej jedną supersymetryczną cząstkę. Tacy teoretycy od dziesięcioleci pracują nad pytaniami, nie będąc w stanie ich przetestować; teraz, mówi, eksperymentatorzy nadrabiają zaległości.

Co to jest ciemna materia?

Gabriella Sciolla, profesor nadzwyczajny fizyki na MIT, ma nadzieję potwierdzić supersymetrię poprzez eksperymenty na ciemnej materii. Z obserwacji oddziaływań grawitacyjnych galaktyk i innych ciał niebieskich fizycy wiedzą, że we wszechświecie jest znacznie więcej masy, niż mogliby to wyjaśnić, szukając rodzajów zidentyfikowanych przez model standardowy. Ta brakująca masa nazywana jest ciemną materią, ponieważ nie wchodzi w interakcje z fotonami. Nie można go zobaczyć za pomocą teleskopów optycznych lub rentgenowskich. Na pewno jestem trochę stronniczy, ale dla mnie najciekawsze otwarte pytanie w fizyce brzmi: czym jest ciemna materia? mówi Sciolla. Jednym prostym wyjaśnieniem jest to, że składa się z jednej lub więcej cząstek supersymetrycznych.

W trzewiach budynku NW13, w pozbawionym okien pomieszczeniu z pustaków, które jej grupa badawcza nazywa lochami, Sciolla testuje nową aparaturę zwaną komorą projekcyjną czasu ciemnej materii – zasadniczo duży zbiornik gazu ze stali nierdzewnej otoczony dwoma kamerami cyfrowymi . Zasada działania detektora jest prosta. Kiedy cząsteczka ciemnej materii uderzy w atom gazu, atom odbije się, wybijając luźne elektrony, które zostaną wykryte przez kamery. Śledząc ścieżki tych elektronów, Sciolla będzie w stanie zobaczyć nie tylko, że cząsteczka uderzyła, ale także z którego kierunku. Będzie to ważne dla ustalenia, czy detektor faktycznie widzi ciemną materię, a nie coś innego. Jeśli, jak sądzi wielu fizyków, nasza galaktyka krąży w nieruchomym obszarze ciemnej materii, to ciemna materia powinna uderzać w atomy detektora Sciolli jak deszcz uderzający w przednią szybę jadącego samochodu. Kierunek tego deszczu powinien zmieniać się o około 90º co 12 godzin, ponieważ oś obrotu Ziemi wynosi około 45º względem ciemnej materii.

Sciolla i jej grupa badawcza umieszczą swój detektor w podziemnym laboratorium, aby odizolować go od promieni kosmicznych, głównego źródła hałasu, i spędzą 2009 rok na zbieraniu wstępnych danych, aby udowodnić, że koncepcja działa. Sciolla ma nadzieję, że za rok będzie miał detektor o wielkości jednego metra sześciennego, który będzie 50 razy bardziej czuły; ma nadzieję, że za pięć lat będzie miała detektor o wielkości kilkuset metrów sześciennych.

Znalezienie cząstek ciemnej materii byłoby dla fizyków odpowiednikiem trafienia w dziesiątkę. Wszystkie te wielkie pytania w fizyce są w jakiś sposób powiązane, mówi Sciolla. Ciemna materia to jedyna odpowiedź, która zaspokoiłaby tak wiele różnych pytań bez odpowiedzi w różnych dziedzinach fizyki. Wykrycie go dostarczyłoby mocnych dowodów na supersymetrię.

Jeśli okaże się, że ciemna materia nie składa się z supersymetrycznych cząstek, ale z aksjonów, hipotetycznych cząstek, nad którymi Wilczek wykonał ważną pracę, to odkrycie to może doprowadzić do kolejnego ogromnego pytania. Axions zajmuje ważne miejsce w teorii ezoterycznej, która wyjaśnia, dlaczego materia – w przeciwieństwie do antymaterii – dominuje we wszechświecie, mimo że Wielki Wybuch wytworzył wszystkie cząstki i ich antycząstki w równych ilościach.

Co to jest ciemna energia?

Nawet jeśli wykryta zostanie ciemna materia i ujawniona zostanie jej natura, inne ciekawe zjawisko, które fizycy nazwali ciemną energią, rodzi wiele innych pytań. Galaktyki są rozpychane przez jakąś odpychającą siłę, wyjaśnia Edmund Bertschinger, kierownik wydziału fizyki. Pomiary z ostatniej dekady mówią nam, że coś bardzo podobnego do odpychania grawitacyjnego zawładnęło wszechświatem. Oznacza to, że wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie, ale fizycy nie wiedzą dlaczego. Czy to z powodu ciemnej energii? A może ciemna energia to tylko koncepcja, która łata niezrozumienie praw fizyki?

Pomimo podobieństwa w ich nazwach, ciemna energia jest prawdopodobnie całkowicie niezwiązana z ciemną materią – i stanowi znacznie większą tajemnicę. Istnieją wiarygodne wyjaśnienia dotyczące ciemnej materii, mówi Bertschinger. Nie mamy prawdopodobnych modeli ciemnej energii, które miałyby sens w kontekście fizyki wysokich energii. Prace wykonane przez Bertschingera i wielu innych wykazały, że testy rozróżniające ciemną energię od zmodyfikowanej formy grawitacji będą bardzo trudne do opracowania. Bertschinger prowadzi jednak prace teoretyczne, które, jak ma nadzieję, doprowadzą do takich testów w ciągu następnej dekady.

To wielki czas w fizyce, mówi Sciolla. Mamy nadzieję, że w ciągu najbliższych kilku lat na wszystko uzyskamy odpowiedź. I co wtedy? Cóż, w takim razie ona i jej koledzy mogą stracić pracę, żartuje Sciolla. Ale, dodaje, na pewno pojawi się wiele nowych pytań, na które nie będzie odpowiedzi.

ukryć