Universumia hallitsevat neljä perusvoimaa: painovoima, sähkömagneetismi ja vahvat ja heikot ydinvoimat. Nämä voimat ohjaavat kaiken liikkeemme ja käyttäytymisen, jota näemme ympärillämme. Ainakin sitä ajattelemme. Mutta viime vuosien aikana on ollut yhä enemmän todisteita viidennestä perusvoimasta. Uusi tutkimus ei ole löytänyt tätä viidettä voimaa, mutta se osoittaa, että emme vieläkään ymmärrä täysin näitä kosmisia voimia.
Perusvoimat ovat osa hiukkasfysiikan standardimallia. Tämä malli kuvaa kaikkia havaittuja erilaisia kvanttihiukkasia, kuten elektroneja, protoneja, antimateriaa ja sellaisia. Kvarkit, neutriinot ja Higgs-bosoni ovat kaikki osa mallia.
Termi ”voima” mallissa on hiukan harhaanjohtava. Vakiomallissa kukin voima on erään tyyppistä kantajabosonia. Fotonit ovat kantobosonia sähkömagneettisuudelle. Gluonit ovat kantaja-bosoneita vahvoille ja bosonit, jotka tunnetaan nimellä W ja Z, heikkoille. Painovoima ei ole teknisesti osa vakiomallia, mutta oletetaan, että kvanttigravitaatiossa on bosoni, jota kutsutaan gravitoniksi. Emme vieläkään ymmärrä kvanttigravitaatiota täysin, mutta yksi idea on, että painovoima voidaan yhdistää standardimallin kanssa tuottaakseen suurenmoisen yhtenäisen teorian (GUT).
Jokainen hiukkasemme, jonka olemme koskaan löytäneet, on osa vakiomallia. Näiden hiukkasten käyttäytyminen vastaa mallia erittäin tarkasti. Olemme etsineet hiukkasia standardimallin ulkopuolelle, mutta toistaiseksi emme ole koskaan löytäneet yhtään. Vakiomalli on tieteellisen ymmärryksen voitto. Se on kvanttifysiikan huippu.
Mutta olemme alkaneet oppia, että sillä on joitain vakavia ongelmia.
Ensinnäkin tiedämme nyt, että standardimalli ei voi yhdistyä painovoiman kanssa ajattelemallamme tavalla. Vakiomallissa perusvoimat “yhdistyvät” korkeammilla energiatasoilla. Sähkömagneettisuus ja heikko yhdistyvät sähköälykkyydeksi, ja sähköhuopa yhdistyy vahvan kanssa tullakseen ydinvoimaksi. Äärimmäisen korkeilla energioilla elektronisten ydinvoimien ja gravitaatiovoimien tulisi yhtyä. Hiukkasfysiikan kokeet ovat osoittaneet, että yhdistymisenergiat eivät vastaa toisiaan.
Ongelmallisempi on pimeän aineen kysymys. Tummaa ainetta ehdotettiin ensin selittämään miksi tähdet ja kaasu galaksin ulkoreunalla liikkuvat nopeammin kuin painovoima ennustaa. Joko gravitaatioteoriamme on jotenkin väärässä, tai galakseissa täytyy olla näkymätöntä (tummaa) massaa. Viimeisen viidenkymmenen vuoden aikana todisteet tummasta aineesta ovat saaneet todella vahvaa. Olemme havainneet, kuinka tumma aine klusteroi galaksit yhdessä, kuinka se jakautuu tietyille galakseille ja miten se käyttäytyy. Tiedämme, että se ei ole vahvassa vuorovaikutuksessa normaalin aineen tai itsensä kanssa, ja se muodostaa suurimman osan massasta useimmissa galakseissa.
Mutta standardimallissa ei ole hiukkasia, jotka voisivat muodostaa tumman aineen. On mahdollista, että tumma aine voidaan tehdä jostakin, kuten pienistä mustista reikistä, mutta tähtitieteelliset tiedot eivät todellakaan tue tätä ajatusta. Tumma aine on todennäköisesti tehty jostakin vielä löytämättömästä hiukkasesta, sellaista, jota vakiomalli ei ennusta.
Sitten on pimeää energiaa. Yksityiskohtaiset havainnot kaukaisista galakseista osoittavat, että maailmankaikkeus kasvaa jatkuvasti kasvavalla nopeudella. Näyttää siltä, että prosessissa on jonkinlainen energia, ja emme ymmärrä miten. Voi olla, että tämä kiihtyvyys on seurausta tilan ja ajan rakenteesta, eräänlaisesta kosmologisesta vakiosta, joka aiheuttaa maailmankaikkeuden laajenemisen. Voi olla, että tätä ajaa jokin uusi voima, jota ei ole vielä löydetty. Mikä tahansa pimeä energia on, se muodostaa yli kaksi kolmasosaa maailmankaikkeudesta.
Kaikki tämä viittaa siihen tosiseikkaan, että vakiomalli on parhaimmillaan epätäydellinen. On asioita, joista puuttuu perusteellisesti maailmankaikkeuden toimintatapa. Tavallisen mallin korjaamiseksi on ehdotettu paljon ideoita, supersymmetriasta vielä havaitsemattomiin kvarkeihin, mutta ajatuksena on, että olemassa on viides perustavoima. Tällä voimalla olisi oma kantobosoni (t) ja samat kuin uudet partikkelit kuin löysimme.
Tämä viides voima olisi myös vuorovaikutuksessa havaittujen hiukkasten kanssa hienoilla tavoilla, jotka ovat ristiriidassa standardimallin kanssa. Tämä johtaa meidät uuteen asiakirjaan, jonka väitetään olevan todisteita sellaisesta vuorovaikutuksesta.
Artikkelissa tarkastellaan poikkeavuutta helium-4-ytimien rappeutumisessa ja se rakentaa aiemman tutkimuksen beryllium-8-hajoamisista. Berryllium-8: lla on epävakaa ydin, joka hajoaa helium-4: n kahdeksi ytimeksi. Vuonna 2016 ryhmä havaitsi, että beryllium-8: n rapistuminen näyttää rikkovan standardimallia hieman. Kun ytimet ovat kiihtyneessä tilassa, se voi emittoida elektroni-positroniparin hajoaessaan. Suuremmissa kulmissa havaittujen parien lukumäärä on suurempi kuin standardimalli ennustaa, ja se tunnetaan Atomkin poikkeavuutena.
Virheelle on paljon mahdollisia selityksiä, mukaan lukien kokeiluvirhe, mutta yksi selitys on, että se johtuu bosonista, jonka nimi on X17. Se olisi kantajabosoni (vielä tuntematon) viidennelle perusvoimelle, jonka massa on 17 MeV. Uudessa lehdessä ryhmä havaitsi samanlaisen ristiriidan helium-4: n hajoamisessa. X17-hiukkanen selitti myös tämän poikkeavuuden.
Vaikka tämä kuulostaa jännittävältä, on syytä olla varovainen. Kun tarkastelet uuden paperin yksityiskohtia, data on hieman outoa. Pohjimmiltaan joukkue olettaa X17: n olevan tarkka ja osoittaa, että tiedot voidaan tehdä sopimaan malliinsa. Näytetään malli voida selitä poikkeavuudet, ei ole samaa kuin mallisi todistaminen tekee selitä poikkeavuudet. Muut selitykset ovat mahdollisia. Jos X17 on olemassa, meidän olisi pitänyt nähdä se myös muissa hiukkaskokeissa, emmekä ole. Todisteet tästä ”viidennestä voimasta” ovat todella heikkoja.
Viides voima voisi olla olemassa, mutta emme ole vielä löytäneet sitä. Tiedämme, että vakiomalli ei kokonaan lisää, ja se tarkoittaa, että löytyy joitain erittäin mielenkiintoisia löytöjä.
Lähde: Uudet todisteet hypoteettisen X17-hiukkasen olemassaolosta, kirjoittaneet Krasznahorkay, A. J., et ai.
Lähde: Epämuodollisen sisäisen parin muodostumisen havaitseminen vaiheessa 8: Mahdollisen osoituksen kevyestä, neutraalista bosonista, kirjoittanut Krasznahorkay, A. J., et ai.
