Пятая фундаментальная сила природы? Венгерские физики, возможно, открыли пятое фундаментальное взаимодействие Поставить электроны в угол.

«Венгерская физическая лаборатория обнаружила пятую силу природы?» — с таким заманчивым заголовком в четверг появился материал в авторитетном научном журнале Nature . Речь идет об открытии, которое, возможно, сделали венгерские физики из Института ядерных исследований Венгерской . В настоящее время науке известно четыре фундаментальных взаимодействия, которые, как считается, могут описывать все известные процессы во Вселенной.

К ним относится гравитация, которую проявляют по отношению друг к другу все материальные тела, и три взаимодействия, описываемые так называемой Стандартной моделью: электромагнитное, слабое и сильное.

Впрочем, Стандартная модель является феноменологической, то есть не основанной ни на какой глубокой теории, которая лежит в ее основе, и потому не запрещает обнаружение с ростом научных знаний ни новых частиц, ни новых взаимодействий. Поэтому в программах большинства крупных экспериментов в области физики частиц ученые давно ведут поиски и пятого фундаментального взаимодействия — отклонений от предсказаний Стандартной модели.

В последние лет десять поиски нового взаимодействия возобновились с новой силой из-за неспособности Стандартной модели объяснить феномен темной материи — загадочной субстанции, составляющей более 80% Вселенной. На роль носителей темной материи теоретики предлагали множество экзотических частиц, например, темных фотонов по аналогии с обычными фотонами — переносчиками электромагнитного взаимодействия.

Венгерские ученые под руководством Аттилы Краснахоркаи в своих экспериментах на 5-мегавольтном ускорителе Ван де Граафа как раз и были заняты поиском темных фотонов, однако обнаружили нечто совсем другое. В ходе экспериментов они бомбардировали низкоэнергичными протонами мишень из лития-7, в результате чего образовывались ядра бериллия-8. Это ядро находится в возбужденном состоянии и быстро переходит в основное состояние, излучая энергию. Обычно излучается просто фотон, однако примерно каждый тысячный раз этот виртуальный гамма-квант внутри самого ядра бериллия превращается в пару электрон-позитрон.

Поскольку масса виртуального фотона близка к нулю, электрон и позитрон, вылетая из ядра, должны лететь почти в одном направлении, то есть угол между их траекториями в лабораторной системе отсчета должен быть близок к нулю.

В этом распределении, как говорят физики, есть «хвост» — то есть чем больше угол разлета, тем меньше вероятность встретить такую пару частиц. Однако так утверждает теория. Эксперимент же показал,

что при угле разлета в 140 градусов наблюдается локальный пик вероятности, которого быть не должно.

Авторы эксперимента интерпретировали это как проявление новых частиц, испускаемых ядром бериллия, которые затем распадаются на электрон-позитронную пару. Расчеты показали, что масса этой частицы должна равняться 17 МэВ. «Мы уверены в результатах нашего эксперимента», — говорит Краснахоркаи, добавляя, что эксперимент показывал эти результаты в течение трех лет. В апреле 2015 года венгры выложили свою работу в архив электронных препринтов , а уже в апреле 2016 года американские теоретики под руководством Джонатана Фэна из Калифорнийского университета в Ирвине , в которой заявили, что результаты венгерских физиков не противоречат прошлым экспериментам и являются открытием

— ни много ни мало - проявления пятого фундаментального взаимодействия.

Спустя несколько дней вопрос об этом поднимался на рабочей встрече в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США, предположение об открытии пятой силы нашло как сторонников, так и скептиков. Они сошлись в одном — гипотезу можно и нужно проверять в грядущих экспериментах.

По словам Фэна, поддержавшего идею о пятом взаимодействии, его группа проверяет другие возможные частицы, которые могли бы объяснить аномалию. «Но протофобный бозон — самое очевидное объяснение», — считает он.

Cкептически отнесся к открытию специалист в области элементарных частиц, ведущий сотрудник Института проблем передачи информации РАН доктор физико-математических наук .

«На графике видно, что отклонения наблюдаются только при двух значениях энергии падающих протонов, при других показателях энергии этого нет, — пояснил физик «Газете.Ru». — Немного поменяли энергию протонов — и «всплеск» исчез. Обычно такое бывает, когда возникают определенные экспериментальные сложности. Ведь бериллий — он и в Африке бериллий, и не важно, при какой энергии он получен».

MTA Atomki

Кроме того, время жизни предполагаемой новой частицы, которую уже прозвали «протофобным X-бозоном», оценивается в 10 -14 секунды, а это довольно много, и странным является то, что в большом числе аналогичных экспериментов она обнаружена не была.

«Я отношусь к этому скептически, но поддерживаю идею, что на это надо посмотреть в текущих крупных экспериментах, например в LHCb на Большом адронном коллайдере», — сказал Ростовцев, которому история с открытием венгерских физиков и подведения под него теоретического обоснования напомнила громкую историю двухлетней давности. Тогда физики, работавшие на итальянском эксперименте OPERA объявили об открытии нейтрино, летевших со сверхсветовой скоростью. «Тогда сразу появилось море теоретических работ, объясняющих с помощью дополнительных измерений, пятых сил, новых частиц и чего угодно—около ста теоретических статей! И что?

Потом оказалось, что ничего не было, а какой-то студент плохо кабель соединил», — вспоминает физик.

Проверить гипотезу можно будет на БАКе и в двух других экспериментах по бомбардировке позитронами фиксированной мишени — в Национальной лаборатории Фраскати близ Рима и в Институте ядерной физики имени Будкера Сибирского отделения РАН в Новосибирске.

МОСКВА, 26 мая - РИА Новости. Ученые из Венгрии нашли намеки на существование физики за пределами Стандартной модели устройства микромира. Они открыли свидетельства наличия не четырех, а пяти фундаментальных сил природы, сообщает новостная служба журнала Nature.

В конце прошлого года Атилла Краснахоркаи (Attila Krasznahorkay) из Института ядерной физики Венгерской академии наук в Дебрецене и его коллеги опубликовали статью, в которой они рассказали о необычных результатах наблюдений за тем, что происходит при переходе атома бериллия-8 из возбужденного в нормальное состояние при синтезе бериллия во время бомбардировки листа лития протонами.

Как рассказывают ученые, при определенных обстоятельствах этот процесс приводит к рождению не фотонов, а пар электрон-позитрон, своеобразных нестабильных мини-атомов из частиц материи и антиматерии. Сам по себе этот факт не является необычным - такие процессы происходят в природе и в космосе регулярно. Удивительным было то, как происходило рождение этих частиц.

Поставить электроны в угол

Стандартная модель физики предсказывает, что частота появления подобных пар будет сильно зависеть от того, под какими углами будут разлетаться формирующиеся электроны и позитроны - чем больше этот угол, тем меньше должно возникать "атомов" позитрония, как называют такие конструкции ученые.

К большой неожиданности Краснахоркаи и его коллег, происходило нечто иное - когда угол разлета приближался к отметке в 140 градусов, число электрон-позитронных пар резко вырастало. Это указало на то, что в данном процессе замешаны некие частицы или силы, выходящие за пределы Стандартной модели.

Как полагают венгерские физики, подобное поведение бериллия-8 связано с тем, что его ядра во время их формирования в листе лития испускают особый сверхлегкий бозон, частицу-переносчик одного из четырех фундаментальных взаимодействий, который распадается на электрон и позитрон.

Краснахоркаи полагает, что данная частица, чья масса составляет примерно 17 МэВ (мегаэлектронвольт), является так называемым "темным фотоном" - переносчиком электромагнитных взаимодействий, способных влиять на поведение частиц темной материи.

Протонофобия

Подобные заявления и результаты экспериментов привлекли внимание теоретиков из университета Калифорнии в Ирвине (США), которые считают, что команде Краснахоркаи удалось открыть нечто большее - пятую фундаментальную силу , которая воздействует на материю наравне с гравитацией, электромагнетизмом, слабыми и сильными ядерными силами.

"В исходной экспериментальной работе, на которой основаны эти теоретические построения, говорится о том, что наблюдения за переходами между возбужденными состояниями атома бериллия-8 дают результаты, расходящиеся с нынешним теоретическим описанием. Всяческие отклонения в ядерной физике возникают регулярно, поскольку адекватно сосчитать спектр возбуждений ядер, путь даже легких, крайне тяжело", — прокомментировал исследование Игорь Иванов, известный российский физик и популяризатор науки.

Как пишет Иванов, схожие необъяснимые всплески и аномалии находили и раньше в ходе наблюдений за поведением нейтрино и в ходе экспериментов на БАК, которые впоследствии "рассасывались" по мере накопления данных и повышения точности детекторов.

"Поэтому и в этом случае это практически гарантированно плохо описываемый эффект ядерной физики. Ну а теоретическая статья, по которой написана заметка в Nature News, это просто стандартная для теоретиков работа — предположим, что отклонение реально, и поспекулируем на тему, какая это могла бы быть "новая физика". Они имеют на это право", — заключает ученый.

Ну не возможно не видеть параллели
Сто десять лет назад, обыватели, и знать не знали что идёт научная революция
Были чудики что что-то читали
И даже мечтали о чём-то
Не особо надеясь на сбычу мечт
...
Физики подтверждают возможное открытие пятой фундаментальной силы природы

Последние данные, указывающие на возможное открытие ранее неизвестных субатомных частиц могут свидетельствовать о пятой фундаментальной силе природы, согласно статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters от физиков-теоретиков из Калифорнийского Университета в Ирвине (UCI).
http://www.astronews.space/ru/astrophysics/104-fundamental-sila

В середине 2015 года исследователи UCI натолкнулись на исследования в области экспериментальной ядерной физики в Венгерской академии наук, которые искали "темные фотоны", частицы, которые связывали с невидимой темной материей.

Работа венгров обнаружила аномальный радиоактивный распад, который указывает на существование легкой частицы всего в 30 раз тяжелее электрона.

"Экспериментаторы не смогли утверждать, что это была новая сила. Они просто увидели избыток событий, которые указывали новую частицу, но не было ясно, была ли это частица или сила несущих частиц.
На протяжении десятилетий, нам известны четыре фундаментальные взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, а также сильные и слабые ядерные силы. Если подтвердятся дальнейшие эксперименты, это открытие возможной пятой силы полностью изменит наше представление о Вселенной, с возможностями для объединение сил и темной материи"

сказал Джонатан Фэн (Jonathan Feng), профессор физики и астрономии, соавтор исследования.

Группа UCI изучили данные венгерских исследователей, а также все другие предыдущие эксперименты в этой области и показали, что доказательства, сильно неблагоприятствуют как частице материи так и "темным фотонам". Они предложили новую теорию, которая объединяет все существующие данные и определили, что открытие может указывать на пятую фундаментальную силу. Их первоначальный анализ был опубликован в конце апреля на публичном интернет-сервере Arxiv и последующие усиливающие выводы первой работы был выпущен пятницу на том же сайте.

Работа ученых из UCI показывает, что это не может быть "темным фотоном", вместо этого частица может быть "protophobic Х-бозон." В то время как нормальная электрическая сила действует на электроны и протоны, этот новый бозон взаимодействует только с электронами и нейтронами - и в чрезвычайно ограниченном диапазоне. Соавтор анализа Тимоти Тэйт (Timothy Tait) сказал:

"Там нет никакого другого бозона, который бы имел такие ​​же характеристики. Иногда мы также просто называем это" Х-бозон, где "X" означает, что-то неизвестное."

Фэн отметил, что дальнейшие эксперименты имеют решающее значение:

"Частица не очень тяжелая, и лаборатории имели энергию, необходимую, чтобы обнаружить ее, еще в 50-х и 60-х годах. Но причина, почему ее трудно было найти в том, что взаимодействия этой частицы очень слабы. Тем не менее, из-за того, что новая частица настолько легка, есть много экспериментальных групп, работающих в небольших лабораториях по всему миру, которые зная первоначальные требования, теперь знают, где искать.
Вполне возможно, что эти два сектора взаимодействуют друг с другом через несколько завуалированное, но фундаментальные взаимодействие. Эта сила может проявляться так как эту protophobic силу мы наблюдаем в результате венгерского эксперимента. В более широком смысле, это согласуется с нашими первоначальными исследованиями, чтобы понять природу темной материи."

Одним из направлений дальнейших исследований, является вероятность того, что эта пятая сила имеет потенциал быть присоединенной к электромагнитной и сильным и слабым ядерным силам как "проявления одной грандиозной, более фундаментальной силы".

По мнению академика Л.Б. Окуня, «кроме гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий должны существовать и другие типы взаимодействий, но их проявления пока не обнаружены». И продолжает: «Кажется очень правдоподобным, что следующий шаг на пути дальнейшей унификации физики станет возможным лишь в результате открытия какого-то нового фундаментального принципа. Чтобы стать проще, физика должна стать еще более нетривиальной. Простой простоты не будет». С этой точкой зрения согласны многие физики-теоретики.

Рассмотрим одну возможность решения этой проблемы. Все элементарные частицы обладают массой, и с этой их квантовой характеристикой связаны гравитационные взаимодействия. А с другой их квантовой характеристикой - электрическим зарядом - связаны электромагнитные взаимодействия. Но все частицы обладают также и спином. Не может ли существовать ещё один тип фундаментальных взаимодействий, обусловленных именно спином? Чтобы ответить на этот вопрос, уточним сначала смысл этого квантового числа.

А теперь вернемся к фитонной модели квантового вакуума. Развивая свою логику, А.Е. Акимов поставил вопрос: что будет, если в качестве источника возмущения мы выберем не массивное или заряженное тело, а например волчок или другой вращающийся объект? Вакуум отзовется и на это возмущение: произойдет поперечная поляризация фитонов, которая, очевидно, будет обладать осесимметричной ориентацией, а не центральносимметричной, как в случае гравитационных и электромагнитных полей. Этот вид возмущения вакуума можно классифицировать как еще один, пятый тип фундаментальных взаимодействий - торсионнные (torsi на латыни означает крутить).

Торсионные взаимодействия известны давно. Их существование в 1922 г. предсказал французский математик Эли Картан, который включил кручение пространства в уравнения ОТО. К его теории проявил интерес Эйнштейн.

Для тех, кто подзабыл, что такое кручение, напомним сведения из школьного учебника по физике. Кручением называется деформация цилиндра с одним закрепленным концом под действием пары сил, направленных перпендикулярно оси цилиндра. Момент этой пары сил называется крутящим моментом. Кручение состоит в относительном повороте параллельных друг другу сечений цилиндра, проведенных по его диаметру. Эти сечения смещаются друг относительно друга, разворачиваясь относительно оси цилиндра, но сохраняют свою форму.

В теории Картана речь шла о массивных телах, обладающих крутящим моментом. О связи спина с торсионным полем Картан знать не мог, т.к. спин в то время еще не был открыт. Поэтому торсионные взаимодействия были введены в теории Картана только как поправка к гравитации.

Эта торсионная поправка, как следовало из теории, была настолько мала, что не было никакой надежды обнаружить ее в экспериментах. Поэтому интерес к торсионным полям угас надолго. А говоря о фундаментальных взаимодействиях, о них даже не упоминали.

Интерес к торсионным полям возродился с середины XX в., когда теория гравитации с кручением была развита в трудах Д.Д. Иваненко, Д. Шима, Т. Киббла, Б.Н. Фролова и др. В этих работах было показано, что источником кручения пространства является спин материальных полей. Иваненко и В.М. Родичев исследовали связь кручения с нелинейными процессами в отсутствие гравитационного поля. Вопрос о константе связи поля кручения в этих работах оставался открытым. Этот вывод могли использовать экспериментаторы, приступая к исследованиям. Позднее стало ясно, что эта константа составляет величину порядка 10 -2 - 10 -3 .

Было показано, что может существовать и другой источник кручения - спиновая жидкость. Она моделирует вещество звезд и Вселенной и представляет собой идеальную жидкость, каждый элемент которой характеризуется импульсом, энергией и внутренним угловым моментом в системе отсчета, в которой в данный момент этот элемент покоится.

Анализ теории Картана показал, что его теория не свободна от упущений. Записывая свои уравнения, Картан не использовал угловых координат для отображения тензора кручения. В итоге он упустил возможность сделать следующий логический шаг и, кроме кручения пространства, рассмотреть также и его вращение.

Связь кручения с вращением диска ещё в XIX в. исследовал французский математик Ж. Френе. Если угловая скорость вращения диска w постоянна, то его кручение обратно пропорционально радиусу R К = 1/R, а угловая скорость w = V/R, где V - линейная скорость вращения. Эта формула хорошо известна в механике.

Вращающийся диск, если он изготовлен из резины, закручивается, изменяя свою геометрию под действием материальных полей кручения. Его внутренняя геометрия в результате характеризуется и кривизной, и кручением. Эта структура называется геометрией Вайценбека по имени исследовавшего её немецкого математика Р. Вайценбека.

Решающего успеха в исследовании торсионных полей добился Г.И. Шипов, который в 1980-х годах разработал теорию физического вакуума. Эта теория решала задачу всех фундаментальных взаимодействий, включая торсионные. Теория торсионного поля, построенная Шиповым, основана на использовании коэффициентов кручения Г. Риччи-Курбастро, что позволило устранить ограничения теории Картана и прийти к выводу об отсутствии теоретического предела на величину константы торсионного взаимодействия.

Пространство событий, описываемое теорией Шипова, имеет 10 измерений: к четырем обычным трансляционным координатам добавляется шесть угловых координат. В отличие от теории относительности Эйнштейна этому пространству соответствует не геометрия Римана, а геометрия Вайценбека, которая характеризуется не только кривизной, но и кручением. Естественным проявлением геометрических свойств такого пространства являются торсионные поля.

Теория физического вакуума Шипова оказалась весьма плодотворной по большому числу важных следствий. Первое из них касается сил инерции, которые были введены Ньютоном в его уравнениях классической механики. Природа этих сил оставалась загадочной на протяжении долгих трехсот лет. Некоторые теоретики и до сих пор утверждают, что эти силы фиктивны и вводятся всего лишь в некоторых системах координат. Вряд ли с ними согласятся пассажиры резко затормозившего автомобиля, которые рискуют по инерции расшибить себе лоб.

Теоретиков, настроенных скептически, смущает то, что они не могут указать источник сил инерции. А раз нет источника, рассуждают они, то нет и сил. Выполнив выше с помощью модели фитонного вакуума качественный анализ этой проблемы, мы показали, что этим источником может служить квантовый вакуум. В теории Шипова дано строгое количественное решение проблемы сил инерции. Он показал, что эти силы вполне реальны и являются порождением особых полей - полей инерции. Эти поля - не что иное, как проявление в повседневной жизни торсионных полей.

Основной вывод из теории физического вакуума можно сформулировать в виде следующего утверждения: в мире не происходит ничего, кроме кручения и искривления пространства.

Возможны различные схемы генерации торсионного поля. Можно, например, использовать электрический разряд между двумя металлическими коаксиальными трубками, помещенными в продольное магнитное поле. Под действием силы Ампера, возникающей в скрещенных электрическом и магнитном полях, электроразрядная плазма будет вращаться в азимутальном направлении. Эта плазма явится источником статического торсионного поля. А если в этом устройстве предусмотрена какая-либо неоднородность в азимутальном направлении, то оно окажется генератором переменного торсионного поля, распространяющегося в радиальном направлении.

Подобные устройства являются источниками торсионного поля на макроуровне. На микроуровне его источником является спин. Важная отличительная особенность торсионного поля состоит в том, что оно носит чисто информационный характер и не связано с передачей энергии.

Мир физики гудит, обсуждая возможное открытие пятой фундаментальной силы, действующей наравне с гравитацией, электромагнетизмом, а также сильным и слабым ядерным взаимодействием.

Затравкой стал необычный пик, который увидела команда венгерских физиков. Вообще-то они искали одного из кандидатов в частицы тёмной материи - так называемый . Для этого брался кусок лития-7, который облучали протонами относительно небольшой энергии. В результате получали изотоп бериллий-8 в возбуждённом состоянии. Такой изотоп может излучить или фотон, или пару электрон-позитрон.

Необычный пик наблюдается под углом около 140 градусов и только для протонов с энергиями 1,10 и 1,04 МэВ.

В эксперименте следили за тем, под каким углом вылетают электрон и позитрон. Ожидалось, что чем больше угол между ними, тем меньше таких пар. Но оказалось, что под углом 140 градусов чуть больше частиц, чем под соседними. Такой пик можно объяснить, если ввести существование не известного ранее бозона - его сейчас называют просто бозоном X. Авторы изначального эксперимента надеются, что это и есть тот тёмный фотон, который они искали. Эксперимент шёл более трёх лет и был опубликован в архиве в прошлом году.

А в апреле этого года в архиве появилась теоретическая статья американской группы, которая предложила не менее изящное объяснение - этот бозон это переносчик неизвестного ранее пятого фундаментального взаимодействия. В поддержку своего мнения они там ещё привели пару нестыковок в других экспериментах, которые тоже можно объяснить этой гипотезой.

Проблема, однако, в том, что пока больше никто венгров не проверил, хотя работы вроде идут. А у них там довольно странная штука: пик на 140 градусах видно только если бериллий-8 рождается протонами с энергией 1,10 и 1,04 МэВ. Если же он рождается протонами с энергией 1,2 или 0,8 МэВ, то пик волшебным образом пропадает.

Ну и странно, конечно, что такую лёгкую частицу (а бозон X имеет массу раз в 50 меньше массы протона), не замечали в экспериментах раньше.

В общем, как обычно в таких ситуациях, пока рано вестись на хайп. Будем ждать будущих экспериментов от независимых групп. Ну а теоретики, конечно, пока будут рождать гипотезы одну причудливее другой, пока полёт их фантазии не будет ограничен новыми экспериментальными данными.