نیروی بنیادی پنجم می‌تواند وجود داشته باشد؟

نیروی بنیادی پنجم می‌تواند وجود داشته باشد ، اما ما هنوز آن را کشف نکرده‌ایم

ذرات جهان با چهار نیروی اساسی اداره می شود: گرانش ، الکترومغناطیس و نیروهای هسته‌ای قوی و ضعیف. این نیروها حرکت و رفتار هر آنچه را که در اطراف خود می‌بینیم هدایت می‌کنند. حداقل ، این چیزی است که ما فکر می‌کنیم. اما طی چند سال گذشته ، شواهد فزاینده‌ای از نیروی بنیادی پنجم وجود دارد. تحقیقات جدید این نیروی پنجم را کشف نکرده است ، اما نشان می‌دهد که ما هنوز هم این نیروهای کیهانی را کاملاً درک نمی‌کنیم. نیروهای بنیادی بخشی از مدل استاندارد فیزیک ذرات هستند. این مدل تمام ذرات کوانتومی ، از جمله الکترون ها ، پروتون ها ، پادماده و سایر آنها را توصیف می کند. کوارک ، نوترینو و بوزون هیگز همه بخشی از این مدل هستند.

اصطلاح نیرو در مدل کمی نادرست است. در مدل استاندارد ، هر نیرو نتیجه یک نوع بوزون حامل است. فوتون ها بوزون حامل الکترومغناطیس هستند. گلئون‌ ها بوزون های حامل تعامل قوی هستند و بوزونهای معروف به W و Z برای تعامل ضعیف هستند. گرانش از لحاظ فنی جزئی از مدل استاندارد نیست ، اما فرض بر این است که گرانش کوانتومی دارای بوزونی است که به گراویتون معروف است. ما هنوز گرانش کوانتومی را کاملاً درک نمی کنیم ، اما یک ایده این است که گرانش را می توان با مدل استاندارد متحد کرد تا یک تئوری بزرگ و یکپارچه ایجاد شود (GUT).

هر ذره ای که تاکنون کشف کرده‌ایم جزئی از مدل استاندارد است. رفتار این ذرات بسیار دقیق با مدل مطابقت دارد. دانشمندان به دنبال ذراتی فراتر از مدل استاندارد بودند ، اما تاکنون ، هیچکدام از آنها را کشف نکرده‌اند. مدل استاندارد پیروزی درک علمی است. این اوج فیزیک کوانتومی است.اما شروع کرده‌ایم به یادگیری اینکه این مدل با مشکلات جدی همراه است.یک نیروی بنیادی پنجم واقعاً می‌تواند وجود داشته باشد ، اما ما هنوز آن را کشف نکرده‌ایم.مشاهدات کهکشان ها توزیع ماده تاریک را نشان می دهد.

برای شروع ، اکنون می‌دانیم که مدل استاندارد نمی تواند به شکلی که فکر می‌کردیم با گرانش ترکیب شود. در مدل استاندارد ، نیروهای بنیادی در سطوح انرژی بالاتر “متحد” می شوند. در انرژی های بسیار بالا ، نیروهای الکترو هسته ای و گرانشی باید متحد شوند. آزمایشات موجود در فیزیک ذرات نشان داده است که این انرژی‌ها با یکدیگر مطابقت ندارند.

ماده تاریک

ماده تاریک بیشتر مسئله ساز است. ماده تاریک ابتدا برای توضیح اینکه چرا ستاره ها در لبه بیرونی یک کهکشان سریعتر از آنچه توسط گرانش پیش بینی شده، حرکت می‌کنند. یا نظریه گرانش ما به نوعی اشتباه است ، یا باید در کهکشان ها توده‌ای نامرئی (تاریک) وجود داشته باشد. در طول 50 سال گذشته ، شواهد ماده تاریک واقعاً قوی‌تر شده است. ما مشاهده کرده‌ایم که چگونه خوشه‌های ماده تاریک ، کهکشان‌ها را در کنار یکدیگر قرار می دهند ، چگونه در کهکشان‌های خاص توزیع می شوند و چگونه رفتار می‌کنند.

ما می‌دانیم که این ماده به طور منظم با ماده معمولی یا خود در تعامل نیست و اکثر توده‌ها را در اکثر کهکشان‌ها تشکیل می‌دهد. اما در مدل استاندارد ذره ای وجود ندارد که بتواند ماده تاریک را تشکیل دهد. این احتمال وجود دارد که ماده تاریک از چیزی مانند سیاهچاله‌های کوچک ساخته شود ، اما درواقع داده های اخترشناسی از این ایده پشتیبانی نمی‌کنند. ماده تاریک به احتمال زیاد از برخی ذرات کشف نشده ساخته شده است ، یکی از چیزهایی که مدل استاندارد پیش‌بینی نمی‌کند.

انرژی تاریک

سپس انرژی تاریک وجود دارد. مشاهدات دقیق در مورد کهکشان های دوردست نشان می دهد که جهان با سرعت فزاینده‌ای در حال گسترش است. به نظر می رسد که این روند را نوعی انرژی هدایت میکند و ما نمی‌دانیم چگونه است. ممکن است این شتاب نتیجه ساختار فضازمان باشد ، نوعی ثابت کیهان شناسی که باعث گسترش جهان می شود. یا ممکن است این نیرو توسط نیروی جدیدی که هنوز کشف نشده است هدایت می‌شود. انرژی تاریک از هرچیزی باشد ، بیش از دو سوم جهان را تشکیل می دهد.همه اینها به این واقعیت اشاره دارد که مدل استاندارد در بهترین حالت ناقص است.

مواردی وجود دارد که ما اساساً در نحوه کار کیهان از دست می‌دهیم. ایده‌های زیادی برای اصلاح مدل استاندارد ارائه شده است ، از تقارن تا کوارک های کشف نشده اما یک ایده این است که یک نیروی بنیادی پنجم وجود دارد. این نیرو می تواند بوزون (های) حامل خود و همچنین ذرات جدیدی فراتر از آنچه کشف کرده ایم داشته باشد.

اگر یک نیروی بنیادی پنجم وجود داشته باشد، ما بیشتر جهان را نفهمیده‌ایم.

…

این نیروی بنیادی پنجم همچنین با ذراتی که مشاهده کردیم به روشهای ظریف و متناقضی با مدل استاندارد تعامل دارد. این ما را به مقاله جدیدی منتقل می کند که ادعا می کند شواهدی از چنین چیزی وجود دارد.این مقاله به ناهنجاری در پوسیدگی هسته های هلیوم -4 می‌پردازد و باعث می شود مطالعه اولیه پوسیدگی‌های بریلیم -8 انجام شود.

بریلیم -8 دارای یک هسته ناپایدار است که در دو هسته هلیوم -4 پوسیده می شود. در سال 2016 ، این تیم دریافت که پوسیدگی بریلیم 8 به نظر می رسد مدل استاندارد را اندکی نقض می‌کند. هنگامی که هسته‌ها در حالت خاصی قرار دارند ، می‌توانند با فروپاشی جفت الکترون پوزیترون را منتشر کنند. تعداد جفت‌هایی که در زوایای بزرگتر مشاهده می شوند بیشتر از حد استاندارد پیش بینی شده است و به عنوان ناهنجاری Atomki شناخته می شود.توضیحات احتمالی زیادی در مورد ناهنجاری وجود دارد ، از جمله خطای آزمایش ، اما یک توضیح این است که این امر ناشی از بوزونی به نام X17 است.

این یک بوزون حامل برای یک نیروی بنیادی پنجم (هنوز ناشناخته) با جرم 17 مگا ولت خواهد بود. در مقاله جدید ، اختلاف مشابهی در پوسیدگی هلیوم -4 پیدا کرده‌اند. ذره X17 همچنین می‌تواند این ناهنجاری را توضیح دهد.اگرچه این هیجان انگیز به نظر می‌رسد ، دلایلی برای احتیاط وجود دارد. وقتی به جزئیات مقاله جدید نگاه می‌کنید ، کمی تغییر داده های عجیب و غریب وجود دارد. در اصل ، فرض می‌کند X17 دقیق است و نشان می دهد که داده‌ها می‌توانند متناسب با مدل آنها ساخته شوند. نشان دادن اینکه یک مدل می تواند ناهنجاری ها را توضیح دهد اثبات این نیست که مدل شما ناهنجاری‌ها را توضیح می دهد. توضیحات دیگری هم ممکن است.

اگر X17 وجود داشته باشد ، ما باید آن را در آزمایش‌های ذره‌ای نیز دیده بودیم ، و چنین چیزی ندیدیم. مدارک این “نیروی پنجم” هنوز ضعیف است.نیروی پنجم می‌تواند وجود داشته باشد، اما ما آن را پیدا نکرده‌ایم. آنچه می دانیم این است که مدل استاندارد کامل نیست ، و این بدان معناست که برخی اکتشافات جالب توجه در انتظار یافتن هستند.

آرین رسولی

منابع و اطلاعات بیشتر

https://m.phys.org/news/2019-11-fundamental-havent

arXiv: 1910.10459v1 [nucl-ex]:

arxiv.org/abs/1910.10459arXiv: 1504.01527v1 [nucl-ex]:

arxiv.org/abs/1504.01527