В физике существует четыре наблюдаемых фундаментальных взаимодействия (также известных как фундаментальные силы), которые составляют основу всех известных взаимодействий в природе: гравитационное , электромагнитное , сильное ядерное и слабое ядерное взаимодействие. Некоторые спекулятивные теории предложили пятую силу для объяснения различных аномальных наблюдений, которые не вписываются в существующие теории. Характеристики этой пятой силы зависят от выдвигаемой гипотезы. Многие постулируют силу, примерно равную силе гравитации ( т. е . она намного слабее электромагнетизма или ядерных сил ) с диапазоном от менее миллиметра до космологических масштабов. Другое предложение — это новое слабое взаимодействие, опосредованное бозонами W′ и Z′ . Некоторые физики предполагают, что форма темной энергии, называемая квинтэссенцией, может быть пятой силой.
Термин «пятая сила» появился в статье Фишбаха и др. 1986 года, где они повторно проанализировали данные эксперимента Лоранда Этвеша , проведенного в начале века; повторный анализ обнаружил зависимость силы тяжести от расстояния, которая отклоняется от закона обратных квадратов . [1] [2] : 57 Повторный анализ был инициирован теоретической работой Фудзии 1971 года [3] [4] : 3 , предложившего модель, которая изменяет зависимость от расстояния с помощью члена, подобного потенциалу Юкавы :
Параметр характеризует силу и диапазон взаимодействия. [2] В статье Фишбаха была найдена сила около 1% от силы тяжести и диапазон в несколько сотен метров. [5] : 26 Эффект этого потенциала можно эквивалентно описать как обмен векторными и/или скалярными бозонами, что является предсказанием пока еще не обнаруженных новых частиц. [2] Однако многие последующие попытки воспроизвести отклонения потерпели неудачу. [6]
Теоретические предложения о пятой силе обусловлены несоответствиями между существующими моделями общей теории относительности и квантовой теории поля , а также между проблемой иерархии и проблемой космологической постоянной . Обе проблемы предполагают возможность поправок к гравитационному потенциалу вокруг . [2] : 58
Ускоряющееся расширение Вселенной приписывается форме энергии, называемой темной энергией . Некоторые физики предполагают, что форма темной энергии, называемая квинтэссенцией, может быть пятой силой. [7] [8] [9]
Существует по крайней мере три вида поиска, которые можно осуществить в зависимости от вида рассматриваемой силы и ее диапазона.
Один из способов поиска пятой силы — это проверка сильного принципа эквивалентности , одного из самых мощных тестов общей теории относительности , также известной как теория гравитации Эйнштейна. Альтернативные теории гравитации, такие как теория Бранса–Дикке , постулируют пятую силу — возможно, с бесконечным диапазоном. Это связано с тем, что гравитационные взаимодействия в теориях, отличных от общей теории относительности, имеют степени свободы, отличные от «метрики» , которая диктует кривизну пространства, и различные виды степеней свободы производят различные эффекты. Например, скалярное поле не может вызывать искривление световых лучей .
Пятая сила проявится в эффекте на орбитах солнечной системы, называемом эффектом Нордтведта . Это проверено с помощью эксперимента по лазерной локации Луны [10] и интерферометрии со сверхдлинной базой .
Другой вид пятой силы, которая возникает в теории Калуцы-Клейна , где Вселенная имеет дополнительные измерения , или в супергравитации или теории струн, — это сила Юкавы , которая передается световым скалярным полем (то есть скалярным полем с большой длиной волны Комптона , которая определяет диапазон). Это вызвало недавний интерес, поскольку теория суперсимметричных больших дополнительных измерений — измерений с размером чуть меньше миллиметра — побудила экспериментальные усилия по проверке гравитации в очень малых масштабах. Это требует чрезвычайно чувствительных экспериментов, которые ищут отклонение от закона обратных квадратов гравитации в диапазоне расстояний. [11] По сути, они ищут признаки того, что взаимодействие Юкавы включается на определенной длине.
Австралийские исследователи, пытаясь измерить гравитационную постоянную глубоко в шахте, обнаружили расхождение между прогнозируемым и измеренным значением, причем измеренное значение было на два процента меньше. Они пришли к выводу, что результаты могут быть объяснены отталкивающей пятой силой с диапазоном от нескольких сантиметров до километра. Аналогичные эксперименты были проведены на борту подводной лодки USS Dolphin (AGSS-555) во время глубокого погружения. Дальнейший эксперимент по измерению гравитационной постоянной в глубокой скважине в ледяном щите Гренландии обнаружил расхождения в несколько процентов, но не удалось исключить геологический источник наблюдаемого сигнала. [12] [13]
В другом эксперименте мантия Земли используется как гигантский детектор частиц, фокусирующийся на геоэлектронах. [14]
Джейн и др. (2012) [15] изучили существующие данные о скорости пульсации более тысячи переменных звезд цефеид в 25 галактиках. Теория предполагает, что скорость 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.
В некоторых экспериментах использовалось озеро и башня, которая320 метров в высоту. [16] Всесторонний обзор Эфраима Фишбаха и Каррика Талмаджа показал, что нет убедительных доказательств существования пятой силы, [17] хотя ученые все еще ищут ее. Статья Фишбаха-Талмаджа была написана в 1992 году, и с тех пор появились другие доказательства, которые могут указывать на существование пятой силы. [18]
Вышеуказанные эксперименты ищут пятую силу, которая, как и гравитация, не зависит от состава объекта, поэтому все объекты испытывают силу пропорционально их массе. Силы, которые зависят от состава объекта, могут быть очень чувствительно проверены экспериментами с крутильными весами типа, изобретенного Лорандом Этвешем . Такие силы могут зависеть, например, от соотношения протонов и нейтронов в атомном ядре, ядерного спина [19] или относительного количества различных видов энергии связи в ядре (см. полуэмпирическую формулу массы ). Поиски проводились от очень коротких диапазонов до муниципальных масштабов, до масштабов Земли , Солнца и темной материи в центре галактики.
В 2015 году Аттила Краснахоркай из ATOMKI , Института ядерных исследований Венгерской академии наук в Дебрецене , Венгрия, и его коллеги предположили существование нового легкого бозона, который всего в 34 раза тяжелее электрона (17 МэВ). [20] В попытке найти темный фотон венгерская команда обстреляла протонами тонкие мишени из лития-7 , что создало нестабильные ядра бериллия-8 , которые затем распались и вытолкнули пары электронов и позитронов. Избыточные распады наблюдались при угле раскрытия 140° между e + и e − , а общая энергия составила 17 МэВ, что указывало на то, что небольшая часть бериллия-8 будет сбрасывать избыточную энергию в форме новой частицы.
В ноябре 2019 года Краснахоркай объявил, что он и его команда в ATOMKI успешно наблюдали те же аномалии в распаде стабильных атомов гелия, которые были обнаружены в бериллии-8, что подкрепило аргументы в пользу существования частицы X17 . [21]
Фэн и др . (2016) [22] предположили, что протофобный (т.е. «игнорирующий протоны») X-бозон с массой 16,7 МэВ с подавленными связями с протонами относительно нейтронов и электронов и фемтометровым диапазоном может объяснить данные. [23] Сила может объяснить аномалию мюона g − 2 и предоставить кандидата на темную материю. В настоящее время проводится несколько исследовательских экспериментов, чтобы попытаться подтвердить или опровергнуть эти результаты. [20] [22]