stringtranslate.com

Пятая сила

В физике есть 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 предлагают пятую силу для объяснения различных аномальных наблюдений, которые не соответствуют существующим теориям. Характеристики этой пятой силы зависят от выдвигаемой гипотезы. Многие постулируют силу, примерно равную силе гравитации ( т.е. она намного слабее, чем электромагнетизм или ядерные силы ) с диапазоном от менее чем миллиметра до космологических масштабов. Другое предложение — новое слабое взаимодействие, опосредованное бозонами W' и Z' .

Поиски пятой силы в последние десятилетия активизировались благодаря двум открытиям в космологии , которые не объясняются современными теориями. Было обнаружено, что большая часть массы Вселенной приходится на неизвестную форму материи, называемую темной материей . Большинство физиков полагают, что темная материя состоит из неоткрытых субатомных частиц [1] , которые трудно обнаружить, но некоторые полагают, что это может быть связано с неизвестной фундаментальной силой. Во-вторых, недавно было обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется, что объясняется формой энергии, называемой темной энергией . Некоторые физики предполагают, что пятой силой может быть форма темной энергии, называемая квинтэссенцией . [2] [3]

История

Термин «пятая сила» возник в статье Фишбаха и др., опубликованной в 1986 году. который повторно проанализировал данные эксперимента Лоранда Этвоса, проведенного в начале века; повторный анализ обнаружил зависимость от расстояния от гравитации, которая отклоняется от закона обратных квадратов . [4] [5] : 57  Реанализ был вызван теоретической работой Фуджи в 1971 году [6] [7] : 3  , предложившей модель, которая изменяет зависимость от расстояния с помощью члена, подобного потенциалу Юкавы :

Параметр характеризует силу и дальность взаимодействия. [5] В статье Фишбаха указывается сила около 1% силы тяжести и дальность действия в несколько сотен метров. [8] : 26  Эффект этого потенциала можно эквивалентно описать как обмен векторными и/или скалярными бозонами, то есть предсказание еще не обнаруженных новых частиц. [5] Однако многие последующие попытки воспроизвести отклонения не увенчались успехом. [9]

Теория

Теоретические предложения в категории пятой силы вызваны двумя несоответствиями между текущими моделями общей теории относительности и квантовой теории поля : проблемой иерархии и проблемой космологической постоянной . Обе проблемы предполагают возможность коррекции гравитационного потенциала вокруг Земли . [5] : 58 

Экспериментальные подходы

Можно провести как минимум три вида поиска, которые зависят от типа рассматриваемой силы и ее дальности.

Принцип эквивалентности

Один из способов поиска пятой силы — 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 существование пятой силы  —  возможно, с бесконечным радиусом действия. Это связано с тем, что гравитационные взаимодействия в теориях, отличных от общей теории относительности, имеют степени свободы , отличные от «метрики» , которая определяет кривизну пространства, а разные виды степеней свободы производят разные эффекты. Например, скалярное поле не может вызвать искривление световых лучей .

Пятая сила проявит себя в воздействии на орбиты Солнечной системы, называемом эффектом Нордведта . Это проверено с помощью эксперимента по лунной лазерной локации [10] и интерферометрии со сверхдлинной базой .

Дополнительные измерения

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 легким скалярным полем (т. е. скалярным полем с длинной комптоновской длиной волны). , который определяет диапазон). В последнее время это вызвало большой интерес, поскольку теория суперсимметричных больших дополнительных измерений  —  размеров чуть меньше миллиметра —  побудила экспериментальную попытку проверить гравитацию в очень малых масштабах. Это требует чрезвычайно чувствительных экспериментов, которые ищут отклонения от закона обратных квадратов гравитации на широком диапазоне расстояний. [11] По сути, они ищут признаки того, что взаимодействие Юкавы продолжается на определенной продолжительности.

Австралийские исследователи, пытавшиеся измерить гравитационную постоянную глубоко в шахте, обнаружили несоответствие между предсказанным и измеренным значением: измеренное значение оказалось на два процента меньше. Они пришли к выводу, что результаты могут быть объяснены пятой силой отталкивания с диапазоном от нескольких сантиметров до километра. Подобные эксперименты были проведены на борту подводной лодки USS Dolphin (AGSS-555) , находящейся в глубоком погружении. Дальнейший эксперимент по измерению гравитационной постоянной в глубокой скважине на ледниковом щите Гренландии обнаружил расхождения в несколько процентов, но исключить геологический источник наблюдаемого сигнала не удалось. [12] [13]

мантия Земли

Другой эксперимент использует мантию Земли в качестве детектора гигантских частиц, фокусируясь на геоэлектронах. [14]

Переменные цефеид

Джайн и др. (2012) [15] исследовали существующие данные о скорости пульсаций 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 иной схеме, чем частота пульсаций цефеид, которые не экранированы. Они не смогли найти никаких отклонений от теории гравитации Эйнштейна.

Другие подходы

В некоторых экспериментах использовалось озеро и башня,Высота 320 метров . [16] Всесторонний обзор, проведенный Эфраимом Фишбахом и Кэрриком Талмаджем, показал, что убедительных доказательств существования пятой силы не существует, [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]

Вышеупомянутые эксперименты ищут пятую силу, которая, как и гравитация, не зависит от состава объекта, поэтому все объекты испытывают действие силы пропорционально их массам. Силы, которые зависят от состава объекта, могут быть очень точно проверены с помощью экспериментов на торсионных весах , изобретенных Лорандом Этвёшем . Такие силы могут зависеть, например, от соотношения протонов к нейтронам в атомном ядре, спина ядра [19] или относительного количества различных видов энергии связи в ядре (см. полуэмпирическую формулу массы ). Поиски проводились от очень коротких расстояний до муниципальных масштабов, до масштабов Земли , Солнца и темной материи в центре галактики.

Заявления о новых частицах

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 запустила протоны в тонкие мишени из лития-7 , в результате чего были созданы нестабильные ядра бериллия-8 , которые затем распались и выбили пары электронов и позитронов. Избыточные распады наблюдались при угле раскрытия 140 ° между e + и e - и общей энергии 17 МэВ, что указывало на то, что небольшая часть бериллия-8 отдаст избыточную энергию в виде новой частицы.

В ноябре 2019 года Краснахоркай объявил, что он и его команда из ATOMKI успешно наблюдали те же аномалии в распаде стабильных атомов гелия, которые наблюдались в бериллии-8, что подтверждает существование частицы X17 . [21]

Фэн и др . (2016) [22] предположили, что протофобный (то есть «игнорирующий протоны») Х-бозон с массой 16,7 МэВ с подавленной связью с протонами по сравнению с нейтронами и электронами и диапазоном фемтометров может объяснить эти данные. [23] Эта сила может объяснить аномалию мюона g - 2 и стать кандидатом на роль темной материи. В настоящее время проводится несколько исследовательских экспериментов, чтобы попытаться подтвердить или опровергнуть эти результаты. [20] [22]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ↑ Чоун, Маркус (17 августа 2011 г.). «Действительно темная материя: Вселенная состоит из дыр?». Новый учёный . Практически все думают, что эта так называемая темная материя состоит из до сих пор не открытых субатомных частиц.
  2. ^ Веттерих, К. «Квинтэссенция - пятая сила изменения фундаментальной шкалы» (PDF) . Гейдельбергский университет.
  3. ^ Чиколи, Микеле; Педро, Франсиско Г.; Тасинато, Джанмассимо (2012). «Природная квинтэссенция теории струн». Журнал космологии и физики астрочастиц . 2012 (7): 044. arXiv : 1203.6655 . Бибкод : 2012JCAP...07..044C. дои : 10.1088/1475-7516/2012/07/044. S2CID  118461474.
  4. ^ Фишбах, Ефрем; Сударский, Дэниел; Сафер, Аарон; Талмадж, Каррик; Аронсон, Ш. (6 января 1986 г.). «Реанализ эксперимента Этвёша». Письма о физических отзывах . 56 (1): 3–6. Бибкод : 1986PhRvL..56....3F. doi :10.1103/PhysRevLett.56.3. ПМИД  10032514.
  5. ^ abcd Сафронова, М.С.; Будкер, Д.; Демилль, Д.; Кимбалл, Дерек Ф. Джексон; Деревянко А.; Кларк, Чарльз В. (29 июня 2018 г.). «Поиски новой физики с атомами и молекулами». Обзоры современной физики . 90 (2): 025008.arXiv : 1710.01833 . Бибкод : 2018RvMP...90b5008S. doi : 10.1103/RevModPhys.90.025008. ISSN  0034-6861.
  6. ^ Фуджи, Ясунори (ноябрь 1971 г.). «Дилатон и возможная неньютоновская гравитация». Природа Физика . 234 (44): 5–7. Бибкод : 1971NPhS..234....5F. doi : 10.1038/physci234005a0. ISSN  0300-8746.
  7. ^ Фишбах, Ефрем; Талмадж, Кэррик Л. (1999). Поиски неньютоновской гравитации. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Springer New York. дои : 10.1007/978-1-4612-1438-0. ISBN 978-1-4612-7144-4.
  8. ^ Уилл, Клиффорд М. (декабрь 2014 г.). «Противостояние общей теории относительности и эксперимента». Живые обзоры в теории относительности . 17 (1): 4. arXiv : 1403,7377 . Бибкод : 2014LRR....17....4W. дои : 10.12942/lrr-2014-4 . ISSN  2367-3613. ПМК 5255900 . ПМИД  28179848. 
  9. ^ Франклин, Аллан (2016). Фишбах, Ефрем (ред.). Взлет и падение пятой силы: открытие, поиск и обоснование в современной физике (2-е изд.). Чам Гейдельберг Нью-Йорк Дордрехт Лондон: Springer. ISBN 978-3-319-28412-5.
  10. ^ «Лунная лазерная локация». Архивировано из оригинала 28 ноября 2016 года . Проверено 7 мая 2005 г.
  11. ^ «Спутниковая энергетическая биржа (SEE)» . Архивировано из оригинала 7 мая 2005 года . Проверено 7 мая 2005 г., который предназначен для проверки пятой силы в космосе, где можно добиться большей чувствительности.
  12. ^ Андер, Марк Э.; Зумберге, Марк А.; Лаутценхайзер, Тед; Паркер, Роберт Л.; Эйкен, Карлос Л.В.; Горман, Майкл Р.; Ньето, Майкл Мартин; Купер, А. Пол Р.; Фергюсон, Джон Ф.; Фишер, Элизабет; МакМечан, Джордж А.; Сасагава, Гленн; Стивенсон, Дж. Марк; Бэкус, Джордж; Чаве, Алан Д.; Грир, Джеймс; Хаммер, Фил; Хансен, Б. Лайл; Хильдебранд, Джон А.; Келти, Джон Р.; Сидлс, Синди; Виртц, Джим (27 февраля 1989 г.). «Проверка закона обратных квадратов Ньютона в ледяной шапке Гренландии». Письма о физических отзывах . 62 (9): 985–988. Бибкод : 1989PhRvL..62..985A. doi : 10.1103/PhysRevLett.62.985. ПМИД  10040395.
  13. ^ Цумберге, Марк А.; Андер, Марк Э.; Лаутценхайзер, Тед В.; Паркер, Роберт Л.; Эйкен, Карлос Л.В.; Горман, Майкл Р.; Ньето, Майкл Мартин; Купер, А. Пол Р.; Фергюсон, Джон Ф.; Фишер, Элизабет; Грир, Джеймс; Хаммер, Фил; Хансен, Б. Лайл; МакМечан, Джордж А.; Сасагава, Гленн С.; Сидлс, Синди; Стивенсон, Дж. Марк; Виртц, Джим (1990). «Эксперимент с гравитационной постоянной Гренландии». Журнал геофизических исследований . 95 (B10): 15483. Бибкод : 1990JGR....9515483Z. дои : 10.1029/JB095iB10p15483.
  14. ^ Арон, Джейкоб (2013). «Мантия Земли помогает охотиться за пятой силой природы». Новый учёный .
  15. ^ Джайн, Бхувнеш; Викрам, Вину; Сакштейн, Джереми (25 ноября 2013 г.). «Астрофизические испытания модифицированной гравитации: ограничения, связанные с индикаторами расстояния в ближайшей вселенной». Астрофизический журнал . 779 (1): 39. arXiv : 1204.6044 . Бибкод : 2013ApJ...779...39J. дои : 10.1088/0004-637X/779/1/39. S2CID  119260435. 39.
  16. ^ Лю, И-Чэн; Ян, Синь-Ше; Чжу, Хэн-Бин; Чжоу, Вэнь-Ху; Ван, Цянь-Шен; Чжао, Чжи-Цян; Цзян, Вэй-Вэй; Ву, Чуан-Чжэнь (сентябрь 1992 г.). «Испытание неньютоновской гравитации на башне высотой 320 м». Буквы по физике А. 169 (3): 131–133. Бибкод : 1992PhLA..169..131L. дои : 10.1016/0375-9601(92)90582-7.
  17. ^ Фишбах, Ефрем; Талмадж, Каррик (19 марта 1992 г.). «Шесть лет пятой силы». Природа . 356 (6366): 207–215. Бибкод : 1992Natur.356..207F. дои : 10.1038/356207a0. S2CID  21255315.
  18. ^ Дженкинс, Джер Х.; Фишбах, Ефрем; Банчер, Джон Б.; Грюнвальд, Джон Т.; Краузе, Деннис Э.; Мэттс, Джошуа Дж. (август 2009 г.). «Доказательства корреляции между скоростью ядерного распада и расстоянием Земля-Солнце». Астрофизика частиц . 32 (1): 42–46. arXiv : 0808.3283 . Бибкод : 2009APh....32...42J. doi :10.1016/j.astropartphys.2009.05.004. S2CID  119113836.
  19. ^ Холл, AM; Армбрустер, Х.; Фишбах, Э.; Талмадж, К. (1991). «Чувствителен ли эксперимент Этвёша к вращению?». В Хванге, W.-Y. Паучи; и другие. (ред.). Прогресс в физике высоких энергий . Нью-Йорк: Эльзевир. стр. 325–339.
  20. ^ Аб Картлидж, Эдвин (2016). «Нашла ли венгерская физическая лаборатория пятую силу природы?». Природа . дои : 10.1038/nature.2016.19957. S2CID  124347962.
  21. ^ «Ученые, возможно, открыли пятую силу природы, сообщает лаборатория» . Независимый . Лондон, Великобритания . Проверено 26 ноября 2019 г.
  22. ^ Аб Фенг, Джонатан Л.; Форналь, Бартош; Галон, Ифта; Гарднер, Сьюзен; Смолинский, Иордания; Тейт, Тим, член парламента; Танедо, Филип (11 августа 2016 г.). «Протофобная интерпретация наблюдаемой аномалии в ядерных переходах 8 Be с помощью пятой силы». Письма о физических отзывах . 117 (7): 071803. arXiv : 1604.07411 . Бибкод : 2016PhRvL.117g1803F. doi : 10.1103/PhysRevLett.117.071803. PMID  27563952. S2CID  206279817.
  23. ^ "Новое заявление о бозоне подвергается тщательному анализу" . Журнал Кванта . Проверено 24 ноября 2019 г.