В течение некоторого времени физики понимали, что все известные явления во Вселенной управляются четырьмя фундаментальными силами. К ним относятся слабая ядерная сила, сильная ядерная сила, электромагнетизм и гравитация. Хотя первые три силы являются частью Стандартной модели физики элементарных частиц и могут быть объяснены с помощью квантовой механики, наше понимание гравитации зависит от теории относительности Эйнштейна.
Понимание того, как эти четыре силы сочетаются друг с другом, было целью теоретической физики на протяжении десятилетий, что, в свою очередь, привело к разработке множества теорий, которые пытаются их согласовать (т. Е. Теория суперструн, квантовая гравитация, теория великого объединения и т. Д.). Тем не менее, их усилия могут быть затруднены (или помогли) благодаря новым исследованиям, которые показывают, что может быть только пятая сила в работе.
В статье, недавно опубликованной в журнале Письма о физическом обзореИсследовательская группа из Калифорнийского университета в Ирвине объясняет, как недавние эксперименты по физике элементарных частиц могли привести к появлению нового типа бозона. Этот бозон, очевидно, ведет себя не так, как другие бозоны, и может указывать на то, что существует еще одна сила природы, управляющая фундаментальными взаимодействиями.
Джонатан Фенг, профессор физики и астрономии в UCI и один из ведущих авторов статьи, сказал:
«Если это правда, это революционно. В течение десятилетий мы знали о четырех фундаментальных силах: гравитации, электромагнетизме и сильных и слабых ядерных силах. Если это подтвердится дальнейшими экспериментами, это открытие возможной пятой силы полностью изменит наше понимание вселенной, что приведет к объединению сил и темной материи ».
Усилия, которые привели к этому потенциальному открытию, начались еще в 2015 году, когда команда UCI натолкнулась на исследование группы экспериментальных физиков-ядерщиков из Института ядерных исследований Академии наук Венгрии. В то время эти физики изучали аномалию радиоактивного распада, которая намекала на существование легкой частицы, которая была в 30 раз тяжелее электрона.
В статье, описывающей их исследования, ведущий исследователь Аттила Крашнахорка и его коллеги утверждали, что то, что они наблюдали, могло быть созданием «темных фотонов». Короче говоря, они полагали, что, возможно, наконец-то нашли свидетельство Темной Материи, таинственной невидимой массы, составляющей около 85% массы Вселенной.
В то время этот отчет был в значительной степени пропущен, но в этом году он получил широкое внимание, когда профессор Фэн и его исследовательская группа нашли его и начали оценивать его выводы. Но после изучения результатов венгерских команд и сравнения их с предыдущими экспериментами они пришли к выводу, что экспериментальные данные не подтверждают существование темных фотонов.
Вместо этого они предположили, что открытие может указывать на возможное присутствие пятой фундаментальной силы природы. Эти результаты были опубликованы в arXiv в апреле, за которым последовала статья под названием «Модели физики частиц для аномалии 17 МэВ в ядерных распадах бериллия», которая была опубликована в PRL в прошлую пятницу
По сути, команда UCI утверждает, что вместо темного фотона, что венгерская исследовательская группа могла бы засвидетельствовать, было создание ранее неизвестного бозона, который они назвали «протофобным Х-бозоном». В то время как другие бозоны взаимодействуют с электронами и протонами, этот гипотетический бозон взаимодействует только с электронами и нейтронами и только в крайне ограниченном диапазоне.
Это ограниченное взаимодействие, как полагают, является причиной, по которой частица остается неизвестной до сих пор, и почему прилагательные «фотобактерия» и «X» добавляются к названию. «Никакого другого бозона, который мы наблюдали, не имел бы такой же характеристики», - сказал Тимоти Тейт, профессор физики и астрономии в UCI и соавтор статьи. «Иногда мы также называем это« Х бозон », где« Х »означает неизвестный».
Если такая частица существует, возможности для научных открытий могут быть бесконечными. Фэн надеется, что он может быть объединен с тремя другими силами, управляющими взаимодействиями частиц (электромагнитными, сильными и слабыми ядерными силами), как более крупная, более фундаментальная сила. Фэн также предположил, что это возможное открытие может указывать на существование «темного сектора» нашей вселенной, который управляется ее собственной материей и силами.
«Возможно, что эти два сектора общаются друг с другом и взаимодействуют друг с другом через несколько завуалированное, но фундаментальное взаимодействие», - сказал он. «Эта сила темного сектора может проявиться как сила протопофизма, которую мы видим в результате венгерского эксперимента. В более широком смысле это соответствует нашему первоначальному исследованию, чтобы понять природу темной материи ».
Если это окажется так, то физики могут быть ближе к выяснению существования темной материи (и, возможно, даже темной энергии), двух из величайших загадок в современной астрофизике. Более того, это могло бы помочь исследователям в поиске физики за пределами Стандартной модели - чем исследователи из CERN были озабочены с момента открытия бозона Хиггса в 2012 году.
Но, как отмечает Фэн, нам нужно подтвердить существование этой частицы с помощью дальнейших экспериментов, прежде чем мы все будем взволнованы ее последствиями:
«Частица не очень тяжелая, и в лабораториях были энергии, необходимые для ее создания, начиная с 50-х и 60-х годов. Но причина, по которой его трудно было найти, заключается в том, что его взаимодействие очень слабое. Тем не менее, поскольку новая частица настолько легкая, в небольших лабораториях по всему миру работает много экспериментальных групп, которые могут выполнить первоначальные требования, теперь, когда они знают, где искать ».
Как недавний случай с ЦЕРН - когда команды LHC были вынуждены объявить, что они не обнаружил две новые частицы - демонстрирует, важно не сосчитать наших цыплят до того, как они насестятся. Как всегда, осторожный оптимизм - лучший подход к возможным новым открытиям.
