Пятая сила - Fifth force

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 умозрительные теории предложили 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 миллиметра до космологических масштабов. Другое предложение - новая слабая сила, опосредованная бозонами W 'и Z' .

Поиск пятой силы увеличился в последние десятилетия благодаря двум открытиям в космологии, которые не объясняются текущими теориями. Было обнаружено, что большая часть массы Вселенной приходится на неизвестную форму материи, называемую темной материей . Большинство физиков считают, что темная материя состоит из новых, неоткрытых субатомных частиц, но некоторые полагают, что это может быть связано с неизвестной фундаментальной силой. Во-вторых, недавно было обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется, что было приписано форме энергии, называемой темной энергией . Некоторые физики предполагают, что форма темной энергии, называемая квинтэссенцией, может быть пятой силой.

Экспериментальные подходы

Новую фундаментальную силу может быть трудно проверить. Например, гравитация - это 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 (Fischbach et al. ), Которые повторно анализировали результаты Лоранда Этвёша, полученные ранее в этом веке , сообщили о пятой силе, действующей в муниципальных масштабах (то есть с дальностью около 100 метров) . Считалось, что эта сила связана с гиперзарядом . В течение ряда лет другие эксперименты не смогли повторить этот результат.

Существует по крайней мере три вида поиска, которые могут быть предприняты, в зависимости от вида рассматриваемой силы и ее диапазона.

Принцип эквивалентности

Один из способов поиска пятой силы - проверка строгого принципа эквивалентности : это одна из самых мощных проверок общей теории относительности Эйнштейна . Альтернативные теории гравитации, такие как теория Бранса – Дике , имеют пятую силу - возможно, с бесконечным диапазоном 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 производить искривление световых лучей .

Пятая сила проявится в воздействии на орбиты солнечной системы, которое называется эффектом Нордтведта . Это проверено с помощью эксперимента лунного лазерного дальномера и интерферометрии с очень длинной базой .

Дополнительные размеры

Другой вид пятой силы, который возникает в теории Калуцы-Клейна , где Вселенная имеет дополнительные измерения , или в супергравитации или теории струн, - это сила Юкавы , которая передается легким скалярным полем (то есть скалярным полем с длинной комптоновской длиной волны , определяющий диапазон). Это вызвало большой интерес в последнее время, поскольку теория суперсимметричных больших дополнительных измерений - измерений с размером чуть меньше миллиметра - побудила экспериментальную попытку проверить гравитацию в этих очень малых масштабах. Это требует чрезвычайно чувствительных экспериментов, которые ищут отклонения от закона обратных квадратов гравитации в диапазоне расстояний. По сути, они ищут признаки того, что взаимодействие Юкавы в определенной степени набирает обороты.

Австралийские исследователи, пытаясь измерить гравитационную постоянную глубоко в шахте, обнаружили расхождение между прогнозируемым и измеренным значением, при этом измеренное значение было на два процента меньше. Они пришли к выводу, что результаты можно объяснить пятой силой отталкивания с диапазоном от нескольких сантиметров до километра. Подобные эксперименты проводились на борту подводной лодки USS Dolphin (AGSS-555) , когда она находилась 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.

Мантия земли

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

Цефеид переменные

Jain et al. (2012) исследовали существующие данные о скорости пульсации более тысячи переменных звезд цефеид 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, Высота 320 м . Всесторонний обзор, проведенный Эфраимом Фишбахом и Карриком Талмаджем, показал, что не существует убедительных доказательств существования пятой силы, хотя ученые все еще ищут ее. Статья Фишбаха-Талмаджа была написана в 1992 году, и с тех пор появились другие свидетельства, которые могут указывать на пятую силу.

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 к испытаниям с помощью экспериментов с торсионными балансами типа, изобретенного Лорандом Этвешем . Такие силы могут зависеть, например, от отношения протонов к нейтронам в атомном ядре, ядерного спина или относительного количества различных видов энергии связи в ядре (см. Полуэмпирическую формулу массы ). Поиски проводились от очень коротких до муниципальных масштабов, до масштабов Земли , Солнца и темной материи в центре галактики.

Претензии новых частиц

В 2015 году Аттила Краснахоркай из ATOMKI , Института ядерных исследований Венгерской академии наук в Дебрецене , Венгрия, и его коллеги заявили о существовании нового легкого бозона, который всего в 34 раза тяжелее электрона (17 МэВ). Пытаясь найти темный фотон , венгерская команда выпустила протоны по тонким мишеням из лития-7 , в результате чего образовались нестабильные ядра бериллия-8, которые затем распались и выплюнули пары электронов и позитронов. Избыточные распады наблюдались при угле раскрытия 140 ° между е ⁺ и е ^- и суммарной энергии 17 МэВ, что указывало на то, что небольшая часть бериллия-8 будет выделять избыточную энергию в виде новой частицы.

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 обвинили в подборе результатов, которые поддерживают новые частицы, но при этом отбрасывают нулевые результаты .

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 .

Feng et al . (2016) предположили, что протофобный (то есть «игнорирующий протоны») X-бозон с массой 16,7 МэВ с подавленными связями с протонами относительно нейтронов и электронов и диапазона фемтометра может объяснить данные. Эта сила может объяснить аномалию мюона g - 2 и предоставить кандидата в темную материю. В настоящее время проводится несколько исследовательских экспериментов, чтобы попытаться подтвердить или опровергнуть эти результаты.

Модифицированная гравитация

Также известен как нелокальная гравитация . Некоторые физики считают, что теорию гравитации Эйнштейна необходимо будет модифицировать - не в малых масштабах, а на больших расстояниях или, что эквивалентно, при малых ускорениях. Это изменило бы гравитацию на нелокальную силу. Они указывают на то , что темная материя и энергия темной необъяснимы в стандартной модели в физике элементарных частиц и предположить , что некоторые модификации тяжести необходимо, возможно , вытекающих из модифицированных ньютоновской динамики или голографического принципа . Это принципиально отличается от традиционных представлений о пятой силе, поскольку она усиливается по сравнению с гравитацией на больших расстояниях. Однако большинство физиков считают, что темная материя и темная энергия не являются специальными , а подтверждаются большим количеством дополнительных наблюдений и описываются очень простой моделью.

В апреле 2021 года группа из Фермилаба сообщила о «убедительных доказательствах существования неоткрытой субатомной частицы или новой силы», которая взаимодействует с мюонами .

Смотрите также

использованная литература