En Femte Kraft: Fakta Eller Fiktion?

{h1}

Nogle fysikere hævder, at en ny kraft af naturen kan være blevet opdaget. Hvis det er sandt, ville det betyde, at vi skal omskrive lærebøgerne.

Don Lincoln er seniorforsker ved US Department of Energy's Fermilab, Amerikas største forskningsinstitut for Large Hadron Collider. Han skriver også om videnskab for offentligheden, herunder hans seneste "The Great Hadron Collider: Higgs Bosons ekstraordinære historie og andre ting, der vil blæse dit sind"(Johns Hopkins University Press, 2014). Du kan følge ham videreFacebook. Lincoln bidrog med denne artikel til WordsSideKick.com Ekspert stemmer: Op-Ed & Insights.

Videnskab og internettet har et uroligt forhold: Videnskaben har tendens til at bevæge sig fremad gennem en omhyggelig og kedelig vurdering af data og teori, og processen kan tage mange år at fuldføre. I modsætning hertil har internetsamfundet generelt Dory's opmærksomhedsspænding, den fraværende mindede fisk af "Finding Nemo" (og nu "Finding Dory") - et her er et berømthedsbillede der - oh, se... en sjov kattevideo.

Således skal folk, der er interesseret i seriøs videnskab, være yderst forsigtige, når de læser en online-historie, der påstår at være et paradigmeskiftende videnskabeligt fund. Et nyt eksempel er en, der tyder på, at en ny naturkraft måske er blevet opdaget. Hvis det er sandt, ville det betyde, at vi skal omskrive lærebøgerne.

Som fysiker vil jeg gerne kaste et disciplineret videnskabeligt lys på kravet.

[Beyond Higgs: 5 Elusive Particles That May Lurk In The Universe]

En femte kraft

Så hvad er der blevet hævdet?

I en artikel indgivet den 7. april 2015 til arXiv-arkivet for fysikpapirer rapporterede en gruppe ungarske forskere om en undersøgelse, hvor de fokuserede en intens protonbjælke (partikler fundet i centrum af atomer) på tynde lithiummål. Kollisionerne skabte ophidsede kerner af beryllium-8, som henfaldt til almindelig beryllium-8 og par af elektron-positronpartikler. (Positron er antimatterækvivalenten af ​​elektronen.)

Standardmodellen er samlingen af ​​teorier, der beskriver de mindste eksperimentelt observerede partikler af stof og vekselvirkningerne mellem energi og materiel.

Standardmodellen er samlingen af ​​teorier, der beskriver de mindste eksperimentelt observerede partikler af stof og vekselvirkningerne mellem energi og materiel.

Kredit: Karl Tate, WordsSideKick.com Infographic Artist

De hævdede, at deres data ikke kunne forklares med kendte fysiske fænomener i standardmodellen, den regerende model, der styrer partikelfysik. Men de hævdede, de kunne forklare dataene, hvis der eksisterede en ny partikel med en masse på ca. 17 millioner elektronvolt, hvilket er 32,7 gange tungere end en elektron og bare generer 2 procent massen af ​​en proton. De partikler, der fremkommer ved dette energisortiment, som er relativt lave af moderne standarder, er blevet godt undersøgt. Og så ville det være meget overraskende, hvis der blev opdaget en ny partikel i denne energistyring.

Imidlertid overlevede målingen peer review og blev offentliggjort den 26. januar 2016 i tidsskriftet Physical Review Letters, som er en af ​​verdens mest prestigefyldte fysikblade. I denne publikation rydde forskerne og denne forskning en imponerende forhindring. [Hvad er det? Dine fysiske spørgsmål besvaret]

Deres måling fik lidt opmærksomhed, indtil en gruppe teoretiske fysikere fra University of California, Irvine (UCI), gjorde opmærksom på det. Som teoretikere normalt gør med en kontroversiel fysisk måling, sammenlignede holdet det med det arbejde, der er blevet samlet i løbet af det sidste århundrede eller deromkring for at se om de nye data er konsistente eller uforenelige med den eksisterende viden. I dette tilfælde så de på omkring et dusin offentliggjorte undersøgelser.

Hvad de fandt er, at selv om måling ikke var i konflikt med tidligere studier, syntes det at være noget, der aldrig blev observeret - og noget, der ikke kunne forklares af standardmodellen.

Ny teoretisk ramme

For at give mening om den ungarske måling, opfandt denne gruppe af UCI-teoretikere en ny teori.

Teorien opfundet af Irvine-gruppen er virkelig ret eksotisk. De starter med den meget rimelige forudsætning, at den mulige nye partikel er noget, som ikke er beskrevet af eksisterende teori. Dette giver mening, fordi den mulige nye partikel er meget lav masse og ville have været opdaget før, hvis den blev styret af kendt fysik. Hvis dette var en ny partikel styret af ny fysik, er måske en ny kraft involveret. Da traditionelle fysikere taler om fire kendte grundlæggende kræfter (tyngdekraft, elektromagnetisme og de stærke og svage atomkræfter), er denne hypotetiske nye kraft blevet kaldt "den femte kraft".

Teorier og opdagelser af en femte kraft har en ternet historie, der går tilbage årtier, med målinger og ideer der opstår og forsvinder med nye data. På den anden side er der mysterier, der ikke forklares af almindelig fysik som f.eks. Mørkt stof. Mens mørkt materiale historisk er blevet modelleret som en enkelt form for en stabil og massiv partikel, der oplever tyngdekraften og ingen af ​​de andre kendte kræfter, er der ingen grund til, at mørkt materiale ikke kunne opleve kræfter, som det almindelige stof ikke oplever. Når alt kommer til alt, oplever almindelige materielle anliggender, at det mørke stof ikke gør det, så hypotesen er ikke så dumt.

Der er ingen grund, at mørkt materiel ikke kunne opleve kræfter, som det almindelige stof ikke oplever. Her i galakse-klyngen Abell 3827 blev der observeret mørke stoffer, der interagere med sig selv under en galaksekollision.

Der er ingen grund, at mørkt materiel ikke kunne opleve kræfter, som det almindelige stof ikke oplever. Her i galakse-klyngen Abell 3827 blev der observeret mørke stoffer, der interagere med sig selv under en galaksekollision.

Kredit: ESO

Der er mange ideer om kræfter, som kun påvirker mørkt stof, og begrebet for denne grundlæggende idé kaldes "komplekst mørkt stof". En fælles idé er, at der er en mørk foton, der interagerer med en mørk ladning, der kun bæres af mørkt materiale. Denne partikel er en mørk materie analog af fotonet af almindeligt materiale, der interagerer med kendt elektrisk ladning, med en undtagelse: Nogle teorier af komplekse mørke materier har mørke fotoner med masse i stærk kontrast til almindelige fotoner. [Galleri: Dark Matter gennem hele universet]

Hvis mørke fotoner eksisterer, kan de parre med almindeligt materiale (og almindelige fotoner) og henfalde til elektron-positronpar, hvilket den ungarske forskningsgruppe undersøgte. Fordi mørke fotoner ikke interagerer med almindelig elektrisk opladning, kan denne kobling kun ske på grund af kvantemekanikernes vagaries. Men hvis forskerne begyndte at se en stigning i elektron-positronpar, kunne det betyde, at de observerede et mørkt foton.

Irvine-gruppen fandt en model, der indeholdt en "protofob" partikel, der ikke var udelukket ved tidligere målinger og ville forklare det ungarske resultat. Partikler, der er "protofobiske", som bogstaveligt betyder "frygt for protoner", sjældent eller aldrig interagerer med protoner, men kan interagere med neutroner (neutrofile).

Den partikel, der foreslås af Irvine-gruppen, oplever en femte og ukendt kraft, som ligger i størrelsesordenen 12 femtometre, eller ca. 12 gange større end en proton. Partiklen er protofob og neutrofiel. Den foreslåede partikel har en masse på 17 millioner elektronvolt og kan nedbrydes til elektron-positronpar. Ud over at forklare den ungarske måling ville en sådan partikel være med til at forklare nogle afvigelser set i andre forsøg. Denne sidste konsekvens tilføjer en vis vægt til ideen.

Paradigm-skiftende kraft?

Så dette er statusen.

Hvad vil sandsynligvis være sandt? Det er klart, at data er konge. Andre forsøg skal bekræfte eller afvise målingen. Intet andet betyder virkelig noget. Men det vil tage et år eller deromkring og have en ide før det kan være godt. Den bedste måde at estimere sandsynligheden for, at fundet er reelt, er at se på de forskellige forskeres betegnelser. Det er helt klart en uhyggelig måde at gøre videnskab på, men det vil hjælpe med at skygge dine forventninger.

Så lad os starte med Irvine gruppen. Mange af dem (de seniorer, typisk) er velovervejede og etablerede medlemmer af feltet, med indholdsmæssige og solide papirer i deres fortid. Gruppen omfatter et spektrum af aldre, med både senior og junior medlemmer. Af hensyn til fuld offentliggørelse kender jeg nogle af dem personligt, og to af dem har faktisk læst de teoretiske dele af kapitler af bøger, jeg har skrevet til offentligheden for at sikre, at jeg ikke sagde noget dumt. (Forresten fandt de ikke nogen gaffes, men de hjalp sikkert med at præcisere visse punkter.) Det viser bestemt min høje opmærksomhed for medlemmer af Irvine-gruppen, men muligvis min mening. Efter min mening gjorde de næsten helt sikkert et grundigt og professionelt arbejde med at sammenligne deres nye model med eksisterende data. De har fundet en lille og uudforsket region af mulige teorier, der kunne eksistere.

På den anden side er teorien temmelig spekulativ og meget usandsynlig. Dette er ikke en anklage... alle foreslåede teorier kunne mærkes på denne måde. Standardmodellen, der regulerer partikelfysik, er trods alt næsten et halvt århundrede og er grundigt udforsket. Derudover er ALLE nye teoretiske ideer spekulative og usandsynlige, og næsten alle er forkerte. Dette er heller ikke en anklage. Der er mange måder at tilføje mulige ændringer til eksisterende teorier på for at tage højde for nye fænomener. De kan ikke alle være rigtige. Nogle gange er ingen af ​​de foreslåede ideer rigtige.

Vi kan dog konkludere fra gruppens medlemmer om, at de har genereret en ny ide og sammenlignet den med alle relevante eksisterende data. At de har frigivet deres model betyder, at de overlevede deres test, og dermed forbliver det en troværdig, hvis usandsynlig mulighed.

Hvad med den ungarske gruppe? Jeg kender ingen af ​​dem personligt, men artiklen blev offentliggjort i Physical Review Letters - et kritemærke i win-kolonnen. Gruppen har dog også offentliggjort to tidligere papirer, hvor der blev observeret sammenlignelige uregelmæssigheder, herunder en mulig partikel med en masse på 12 millioner elektronvolt og en anden publikation, der hævder opdagelsen af ​​en partikel med en masse på ca. 14 millioner elektronvolt. Begge disse påstande blev efterfølgende forfalsket af andre eksperimenter.

Desuden har den ungarske gruppe aldrig på tilfredsstillende måde oplyst, hvilken fejl der blev foretaget, der resulterede i disse fejlagtige påstande. Et andet muligt rødt flag er, at gruppen sjældent udgiver data, der ikke hævder uregelmæssigheder. Det er usandsynligt. I min egen forskningskarriere var de fleste publikationer bekræftelse af eksisterende teorier. Anomalier, der vedvarer, er meget, meget sjældne.

Så hvad er bundlinjen? Skal du være begejstret for denne nye mulige opdagelse? Nå... sikkert... mulige opdagelser er altid spændende. Standardmodellen har stået tidstesten i et halvt århundrede, men der er uforklarlige mysterier, og det videnskabelige samfund søger altid efter den opdagelse, der peger os i retning af en ny og forbedret teori. Men hvad er sandsynligheden for, at denne måling og teori vil føre til, at den videnskabelige verden accepterer en ny kraft med en rækkevidde på 12 fm og med en partikel der skinner protoner? Min forstand er, at dette er et langt skud. Jeg er ikke så sanguine med chancerne for dette resultat.

Selvfølgelig er denne udtalelse kun den... en mening, omend en informeret.Andre eksperimenter vil også lede efter mørke fotoner, fordi selv om den ungarske måling ikke står op til kontrol, er der stadig et reelt problem med mørkt stof. Mange eksperimenter, der søger mørke fotoner, vil undersøge det samme parameterrum (fx energi, masse og henfaldsmetoder), hvor de ungarske forskere hævder at have fundet en anomali. Vi vil snart (inden for et år) vide, om denne anomali er en opdagelse eller bare en anden bump i de data, der midlertidigt ophidsede samfundet, kun for at blive kasseret, da der optages bedre data. Og uanset udfaldet vil god og bedre videnskab være det endelige resultat.

Følg alle spørgsmålene og debatterne fra Expert Voices - og blive en del af diskussionen - på Facebook, Twitter og Google+. Synspunkterne er de af forfatteren og afspejler ikke nødvendigvis udgiverens synspunkter. Denne version af artiklen blev oprindeligt udgivet på WordsSideKick.com.


Video Supplement: String Theory Explained – What is The True Nature of Reality?.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com