Tag Archives: Standardni model

Je li standardni model fizike sada slomljen? – Sabine Hossenfelder

Takozvana anomalija muona, prvi put viđena u eksperimentu u Brookhaven National Laboratory 2001. godine, nije pomaknula s mjesta. Tokom 20 godina, ovaj lagani nesklad između izračunate vrijednosti magnetskog momenta muona i eksperimentalno određenog, zadržao se na značaju od oko 3,7 sigme. To je nivo pouzdanosti od 99,98 posto, ili otprilike jedna prema 4.500 šansi da je odstupanje slučajna fluktuacija. Upravo objavljenim rezultatima eksperimenta Muon g-2 iz Nacionalne laboratorije Fermi u Bataviji, Ilinois, značaj je povećan na 4,2 sigma. To je nivo pouzdanosti od oko 99,997 posto, ili otprilike jedna od 40 000 šansi da opaženo odstupanje bude slučajnost. Samo po sebi, novo mjerenje Fermilaba ima značaj samo 3,3 sigme, ali budući da reproducira raniji nalaz iz Brookhavena, kombinirani značaj porastao je na 4,2 sigme. Ipak, to je ispod praga otkrivanja fizičara čestica od pet sigma.

Rezultat je dugo očekivan zbog njegove mogućnosti da konačno razbije Standardni model fizike čestica, zbirku do sada poznatih temeljnih sastojaka materije koji postoji oko 50 godina. Ovaj model trenutno sadrži nekoliko tuceta čestica, ali većina ih je nestabilna i stoga ih nije moguće pronaći samo promatranjem materije koja nas obično okružuje. Nestabilne čestice su, međutim, prirodno proizvedene u visokoenergetskim događajima, na primjer kada kosmički zraci udaraju u gornji sloj atmosfere. Izrađuju se i u sudarima čestica stvorenih u laboratoriju, poput onih koji se koriste u Fermilabovim eksperimentima za mjerenje magnetskog momenta miona.

Muon je bila jedna od prvih nestabilnih čestica koja je poznata, a njegovo otkriće datira iz 1936. godine. Teža je verzija elektrona, a poput potonje čestice i električno je nabijena. Životni vijek miona je oko dvije mikrosekunde. Za fizičare čestica to je dugo, zbog čega se čestica pridaje preciznim mjerenjima. Munski magnetni moment određuje koliko brzo rotacija osi čestice kruži oko linija magnetskog polja. Da bi ga izmjerili na Fermilabu, fizičari stvaraju muone i snažnim magnetima ih drže u krugu promjera oko 15 metara. Mioni se na kraju raspadaju, a iz raspodjele produkata raspada može se zaključiti njihov magnetski moment.

Rezultat se obično navodi kao “g-2”, gdje je “g” magnetski moment. “2” je uključen jer je vrijednost blizu dva – a u odstupanjima od dva kvantni su doprinosi koji su fizičari interesantni. Ti doprinosi dolaze iz fluktuacija vakuuma koji sadrže sve čestice, iako u virtualnom obliku: pojavljuju se samo nakratko prije nego što ponovo nestane. To znači da ako ima više čestica od onih u Standardnom modelu, one bi trebale doprinijeti muonu g-2 – otuda i njegova važnost. Stoga bi odstupanje od predviđanja Standardnog modela moglo značiti da postoji više čestica od onih koje su trenutno poznate – ili da postoji neka druga nova fizika, poput dodatnih dimenzija prostora.

Pa kako da procijenimo nesklad od 4,2 sigme između predviđanja Standardnog modela i novog mjerenja? Prije svega, korisno je sjetiti se razloga zbog kojeg fizičari čestica za početak koriste standard od pet sigma. Razlog nije toliko u tome što je fizika čestica nekako suštinski preciznija od ostalih područja znanosti ili što su fizičari čestica toliko bolji u obavljanju eksperimenata. Prvenstveno je to što fizičari čestica imaju puno podataka. I što više podataka imate, veća je vjerojatnost da ćete pronaći slučajne fluktuacije koje slučajno izgledaju poput signala. Fizičari čestica počeli su uobičajeno koristiti kriterij pet sigma sredinom 1990-ih kako bi se spasili od sramote zbog previše „otkrića“ koja su se kasnije ispostavila kao puka statistička fluktuacija.

Ali naravno, pet sigma je potpuno proizvoljan rez, a fizičari čestica također raspravljaju o anomalijama znatno ispod te granice. Zaista, tijekom godina došlo je i nestalo podosta anomalija od tri i četiri sigme. Na primjer, Higgsov bozon je već bio „otkriven“ 1996. godine, kada se signal od oko četiri sigme pojavio na Velikom elektronsko-pozitronskom sudaraču (LEP) u CERN-u blizu Ženeve – a zatim je ponovo nestao. (Higgsa je 2012. godine definitivno otkrio LEP-ov nasljednik, Veliki hadronski sudarač ili LHC.) Također 1996. pronađene su supstrakture kvarkova na oko tri sigme. I one su nestale.

Godine 2003. znaci supersimetrije – pretpostavljeno proširenje Standardnog modela koje uvodi nove čestice – viđeni su na LEP-u, takođe oko tri sigme. Ali ubrzo su nestali. Na LHC-u 2015. godine vidjeli smo anomaliju difotona koja se zadržala oko četiri sigme prije nego što je nestala. Bilo je i nekih zapanjujućih otkrića od šest sigma koja nisu potvrđena, poput “super-mlaznjaka” iz 1998. godine na Fermilabovom Tevatronu (čak i sada niko zapravo ne zna šta su bili) ili viđenja pentakvarka 2004. godine na akceleratoru HERA u Njemačkoj (pentakvarkovi zapravo nisu otkriveni do 2015).

Ova povijest trebala bi vam pomoći da procijenite koliko ozbiljno trebate shvatiti bilo koju tvrdnju iz fizike čestica sa statističkom značajnošću od 4,2 sigma. Ali naravno, anomalija g-2 ide u prilog činjenici da je njen značaj postao jači, a ne slabiji.

Šta znači postojanost anomalije? Eksperimenti visoke preciznosti na niskoj energiji, poput ovog, dopunjuju eksperimente visoke energije. Oni mogu pružiti slične informacije jer su, u principu, svi doprinosi visokih energija prisutni i kod niskih energija. Samo što su vrlo mali – govorimo o neskladu između eksperimenta i teorije na 11. znamenci nakon decimalne točke.

U praksi to znači da proračuni za predviđanja moraju tačno uzeti u obzir puno sitnih doprinosa da bi se postigla potrebna preciznost. U fizici čestica, ovi proračuni se rade pomoću Feynmanovih dijagrama – malih grafika s čvorovima i vezama koji označavaju čestice i njihove interakcije. Oni su matematički alat za praćenje kojih se integrala mora izračunati.

Ovi proračuni se uključuju u veću preciznost, jer ima više i većih dijagrama. Za muon g-2 fizičari su morali izračunati više od 15.000 dijagrama. Iako računari uvelike pomažu u zadatku, ovi proračuni ostaju prilično izazovni. Posebna glavobolja je hadronski doprinos. Adroni su kompozitne čestice izrađene od nekoliko kvarkova koje gluoni drže zajedno. Izračun ovih hadronskih doprinosa vrijednosti g-2 notorno je težak, a trenutno je najveći izvor pogrešaka na teoretskoj strani. Postoje naravno i različita unakrsna mjerenja koja igraju ulogu, poput predviđanja koja ovise o vrijednostima drugih konstanti, uključujući mase leptona i konstante sprezanja.

Prema tome, nesklad bi mogao prilično svakodnevno značiti da nešto nije u redu s izračunatim Standardnim modelom s hadronskim doprinosima. Ali postoji i mogućnost da se nedostatak krije u samom Standardnom modelu, a ne u našoj kalkulaciji. Možda neslaganje dolazi od novih čestica – supersimetrične čestice su najpopularniji kandidati. Problem s ovim objašnjenjem je da supersimetrija nije model – već je svojstvo velikog broja modela, a različiti modeli iz te veće cjeline daju različita predviđanja. Između ostalog, doprinos g-2 ovisi o masi hipotetičkih supersimetričnih čestica, koje su nepoznate. Tako da je za sada nemoguće posebno pripisati nesklad supersimetriji.

Fermilabovo novo visoko precizno mjerenje magnetskog momenta izuzetno je eksperimentalno postignuće. Ali prerano je da Standardni model proglasimo slomljenim.

Izvor: https://www.scientificamerican.com/article/is-the-standard-model-of-physics-now-broken/

Iznenađujući eksperiment iz fizike je otkrio česticu koja ne bi trebala postojati

Površinski objekat za eksperiment IceCube, koji se nalazi ispod 1,6 kilometara leda na Antarktiku. IceCube sugeriše da duh neutrini ne postoje, ali novi eksperiment pokazuje suprotno.

Kredit: IceCube Neutrino opservatorije

Naučnici su proizveli čvrste dokaze o takozvanim sterilnim neutrinama, misterioznim česticama koje prolaze kroz materiju, bez interakcije sa njom.



Prvi nagovještaji ovih čestica pojavili su se prije nekoliko decenija. Ali nakon godina posvećenih pretraživanju, naučnici nisu mogli pronaći nijedan drugi dokaz za njih, uz mnoge eksperimente koji su u suprotnosti sa tim starim rezultatima. Ovi novi rezultati sada ostavljaju naučnike sa dva robustna eksperimenta koji pokazuju postojanje sterilnog neutrina, iako drugi eksperimenti i dalje ukazuju na to da sterilni neutrini uopšte ne postoje.

To znači da se u Univerzumu nešto čudno dešava što čini najsavremenije fizičke eksperimente čovječanstva u suprotnosti jedne s drugima.

Sterilni neutrini
Sredinom devedesetih godina, detektor neutrino tečnog scintilatora (LSND), eksperiment u Nacionalnoj laboratoriji Los Alamos u Novom Meksiku, otkrio je misterioznu novu česticu: “sterilni neutrino” koji prolazi kroz materiju bez interakcije sa njom. Ali taj rezultat se ne može replicirati; drugi eksperimenti jednostavno nisu mogli pronaći nikakav trag skrivene čestice. Tako je rezultat bio zanemaren.



Sada, MiniBooNE – eksperiment u Fermi National Accelerator Laboratoriji (Fermilab), koji se nalazi blizu Čikaga – ponovo je pokupio miris skrivenih čestica. Novi papir objavljen na serveru preprinta arXiv nudi toliko dovoljno pouzdane dokaze o nedostajućem neutrinu da su fizičari digli alarm u vezi toga.

Ako novi rezultati MiniBooNE-a budu ispravni, “To bi bilo ogromno, to je van standardnog modela, što bi zahtjevalo nove čestice … i potpuno novi analitički okvir”, rekla je Kate Scholberg, fizičarka čestica na Duke Univerzitetu koja nije bio uključena u eksperiment.

Standardni model fizike dominirao je naučnicima da shvataju Univerzum više od pola vijeka. To je lista čestica koja, zajedno, idu dug put ka objašnjenju kako materija i energija interaguju u kosmosu. Neke od ovih čestica, poput kvarkova i elektrona, prilično se mogu zamisliti: oni su građevinski elementi atoma koji čine sve što ćemo ikada dodirivati rukama. Drugi, poput tri poznata neutrina, su apstraktniji: oni su visoko-energetske čestice koje protiču kroz univerzum, jedva su u interakciji sa drugom materijom. Milijarde neutrina sa Sunca prolaze kroz nas svake sekunde, ali uglavnom nemaju nikakav uticaj na čestice napeg tijela.

Elektronski, muonski i tau neutrini – tri poznata “ukusa” – međutim, međusobno djeluju sa materijom, iako kroz slabu silu (jednu od četiri osnovne sile Univerzuma) i gravitaciju. (Njihovi antimaterijski blizanci ponekad imaju veze i sa materijom.) To znači da ih specijalizovani detektori mogu naći, izlazeći iz Sunca, kao i iz određenih ljudskih izvora, kao što su nuklearne reakcije. Ali eksperiment LSND-a, Scholberg je rekao za Live Science, pružio je prvi čvrst dokaz da ono što ljudi mogu otkriti možda nije puna slika.

Kako talasi neutrina prolaze kroz prostor, periodično “osciliraju”, skakaju napred i nazad između jednog ukusa i drugog, objasnila je ona. I LSND i MiniBooNE uključuju pucanje greda neutrina kod detektora skrivenog iza izolatora kako bi se blokiralo sve drugo zračenje. (U LSND, izolator je bio voda, u MiniBooNE-u, to je dno ulja.) I pažljivo procjenjuju koliko neutrina svake vrste napada detektor.

Oba eksperimenta su sada prijavila više detekcija neutrina nego što opisuje standardni model oscilacije neutrina koji su opisali autori u radu. To sugeriše, napisali su, da neutrini osciliraju u skrivene, teže, “sterilne” neutrine koje detektor ne može direktno detektovati prije osciliranja nazad u detektabilnu oblast. Rezultati MiniBooNE-a su imali standardnu devijaciju mjerenu na 4,8 sigma, samo su sjajni od fizičkih pragova 5,0. (Rezultat 5-sigma ima 1-u-3,5 miliona šanse da je rezultat slučajnih fluktuacija u podacima.) Istraživači su napisali da MiniBooNE i LSND zajedno predstavljaju rezultat od 6,1 sigma (što znači vjerojatnost od jedan u 500 miliona mada su neki istraživači izrazili skeptičan stav o toj tvrdnji.

Ako su LSND i MiniBooNE bili jedini eksperimenti sa neutrinima na Zemlji, Scholberg je rekao, to bi bio kraj toga. Standardni model bi se ažurirao da uključi neku vrstu sterilnog neutrina.

Ali postoji problem. Drugi glavni neutrino eksperimenti, poput podzemnog projekta Oscilacija sa eksperimentom za praćenje emulzije u Švajcarskoj, nisu našli anomaliju koju su sada vidjeli i LSND i MiniBooNE.

Još nedavno, 2017. godine, nakon što Opservatorij IceCube Neutrino na Antarktiku nije uspio da prikaže dokaze o sterilnim neutrinama, istraživači su uložili slučaj na Live Science da je još jedan prijavljeni signal čestica – nedostajućih antineutrina oko nuklearnih reaktora – bila greška i zapravo je rezultat loših proračuna.

Sterilni neutrini nisu bili odbačena ideja, rekao je Šolberg, ali nisu prihvatili nauku.

Rezultat MiniBooNE-a komplikuje sliku čestica.

“Postoje ljudi koji sumnjaju u rezultat”, rekla je ona, “ali nema razloga da mislite da nešto nije u redu [sa samim eksperimentom].”



Moguća je, rekla je ona, da se anomalija u eksperimentima LSND i MiniBooNE može ispostaviti kao “sistematična”, što znači da postoji nečije pitanje o tome kako neutrini interaguju sa eksperimentalnim postavkama koje naučnici još uvijek ne razumiju. Ali, takođe je sve više i više moguće da će naučnici morati objasniti zašto mnogi drugi eksperimenti ne otkrivaju vrlo stvarne sterilne neutrine koji se pojavljuju u laboratorijama Fermilab i Los Alamos Lab. Ako je to slučaj, moraće da revidiraju svoje cijelo razumjevanje Svemira u tom procesu.

Izvor: www.space.com



Ovo je jednadžba u kojoj je sva poznata fizika sadržana!

Standardni model fizike čestica često se vizualizira kao tablica, slična periodičnoj tablici elemenata, a koristi se za opisivanje svojstava čestica, kao što su masa, naboj i spin. Tablica je također organizirana kako bi predstavila kako ti mali, sitni komadići materije djeluju u interakciji s temeljnim silama prirode.

Ali nije sve počelo s tablicom.

Velika teorija gotovo svega zapravo predstavlja zbirku nekoliko matematičkih modela koji su se pokazali bezvremenskim tumačenjima zakona fizike. Evo kratkog obilaska tema koje su obuhvaćene ovom golemom jednadžbom.

Ova verzija standardnog modela napisana je u Lagrangianovom obliku. Lagrangijan je zabavan način pisanja jednadžbe za određivanje stanja sustava koji mijenja i objašnjava maksimalnu moguću energiju koju sustav može održavati.Tehnički, standardni model može se napisati u nekoliko različitih formulacija, ali, unatoč tome kako izgleda, Lagrangian je jedan od najlakših i najkompaktnijih načina predstavljanja teorije.

Dio 1

Ove tri linije u standardnom modelu su ultraspecifične za gluon, bozon koji nosi snažnu silu. Gluoni dolaze u osam tipova, međusobno djeluju i imaju ono što se zove naboj boje.

Dio 2

Gotovo polovica ove jednadžbe posvećena je objašnjavanju interakcija između bosona, naročito W i Z bozona.

Bosoni su čestice koje nose silu, a postoje četiri vrste bozona koje djeluju u interakciji s drugim česticama koristeći tri osnovne sile. Fotoni nose elektromagnetizam, gluoni nose snažnu silu i W i Z bozoni nose slabu silu. Najnoviji otkriveni boson, Higgs boson, je malo drugačiji; Njezine interakcije pojavljuju se u sljedećem dijelu jednadžbe.

Dio 3

Ovaj dio jednadžbe opisuje djelovanje čestica elementarnih tvari s slabom silom. Prema ovoj formulaciji, čestice tvari dolaze u tri generacije, svaka s različitim masama. Slaba snaga pomaže da masivne čestice tvari propadaju u manje masivne čestice materije.

Ovaj dio također uključuje osnovne interakcije s Higgsovim poljem, od kojeg neke elementarne čestice dobivaju svoju masu.

Intrigantno, ovaj dio jednadžbe pretpostavlja da proturječi otkrićima fizičara posljednjih godina. Neispravno pretpostavlja da čestice nazvane neutrini nemaju masu.

Dio 4

U kvantnoj mehanici, ne postoji niti jedan put ili putanje čestica koja može potrajati, što znači da se ponekad pojavljuju viškovi u ovoj matematičkoj formuli. Kako bi se očistili ove suvišnosti, teoretičari koriste virtualne čestice koje nazivaju duhovima.

Ovaj dio jednadžbe opisuje kako čestice tvari u interakciji s Higgsovim duhovima, virtualnim artefaktima iz Higgs polja.

Dio 5

Ovaj posljednji dio jednadžbe uključuje više duhova. Ti se nazivaju duhovi Faddeev-Popov, i otkazuju ostatke koji se javljaju u interakcijama putem slabe snage.

Napomena: Thomas Gutierrez, pomoćnik profesora fizike na Kalifornijskom državnom sveučilištu, prepisao je standardni model Lagrangian za web. Izvodio ju je iz Diagrammatice, teoretske referencije za fiziku koju je napisao Nobelovac Martinus Veltman. U Gutierrezovoj diseminaciji transkripta, primijetio je pogrešku na znaku koji je napravio negdje u jednadžbi. Sretno u njenom pronalaženju!

Izvor: http://www.businessinsider.com/standard-model-physics-master-equation-2017-6/#section-2-3

Šta je to standardni model u fizici?

Standardni model

Standardni model elementarnih čestica, s baždarnim i Higgsovim bozonom

 

Standardni model je teorija u fizici elementarnih čestica koja uspješno opisuje tri od četiri fundamentalne interakcije između elementarnih čestica od kojih se sastoji sva poznata materija: elektromagnetizam, te jaku i slabu nuklearnu interakciju. To je kvantna teorija polja usklađena s kvantnom mehanikom i teorijom relativnosti i do sada je potvrđena predviđanjem rezultata gotovo svih pokusa u kojima djeluju tri fundamentalne interakcije. Ipak, standardni model nije kompletna teorija jer ne uključuje gravitaciju, a također ovisi i o nizu pokusima dobivenih parametara (mase čestica i konstante vezanja) koji se ne mogu dobiti iz same teorije.

Čestice u fizici

Šta je to standardni model u fizici?

Standardni model

Standardni model elementarnih čestica, s baždarnim i Higgsovim bozonom

 

Standardni model je teorija u fizici elementarnih čestica koja uspješno opisuje tri od četiri fundamentalne interakcije između elementarnih čestica od kojih se sastoji sva poznata materija: elektromagnetizam, te jaku i slabu nuklearnu interakciju. To je kvantna teorija polja usklađena s kvantnom mehanikom i teorijom relativnosti i do sada je potvrđena predviđanjem rezultata gotovo svih pokusa u kojima djeluju tri fundamentalne interakcije. Ipak, standardni model nije kompletna teorija jer ne uključuje gravitaciju, a također ovisi i o nizu pokusima dobivenih parametara (mase čestica i konstante vezanja) koji se ne mogu dobiti iz same teorije.

Čestice u fizici