Чи можуть дивні квантові об’єкти пояснити наше існування?

31

Кожен з нас хоче знати хто ми, звідки і куди рухаємося. Відповіді на ці питання пропонують найрізноманітніші люди, від філософів до священиків і фізиків-теоретиків, але саме останні володіють найбільшими знаннями про всесвіт. До початку хх століття, однак, ніхто і припустити не міг, що елементарних частинок виявиться так багато, що з них можна скласти цілий «зоопарк». Лише в 1925 році на зміну старої квантової теорії прийшла квантова механіка, яка грунтується на хвильових рівняннях і принципі невизначеності, а її положення значно відрізняються від положень механіки класичної. Всього за кілька десятиліть було виявлено безліч елементарних частинок, а їх взаємодія один з одним лягло в основу стандартної моделі. Запуск великого адронного коллайдера (бак) і подальше виявлення «частинки бога» – по-науковому бозон хіггса – стало лише початком в розумінні нашого складного світу. Щороку вчені відкривають нові частинки, паралельно намагаючись відповісти на питання про те, чому ми існуємо.

Q-balls-дивні квантові об’єкти, здатні викликати гравітаційні хвилі

Частка за часткою

Однією з останніх виявлених фізиками частинок є тетракварк (докладніше про їх відкриття я розповідала ось тут). Якщо зовсім коротко, то тетракварки являють собою частинку екзотичної матерії, яка містить два важких кварка і два легких антикварка. Кварки, як, ймовірно, пам’ятає читач, є фундаментальними будівельними блоками всесвіту, з яких складається вся матерія.

Кварки також є частинками, з яких можуть складатися адрони-перша група елементарних частинок. До недавнього часу вважалося, що нейтрони складаються з трьох кварків, але нова частинка адрона складається з чотирьох. Дослідники відзначають, що тетракварк — сама довгоживуча частка з усіх відомих.

Ще однією новинкою в нашому зоопарку виявилися еніони. Це не просто нові частинки, вони настільки незвичайні, що фізики віднесли їх до .

Критерій поділу елементарних частинок на два царства-це значення спина, квантового числа, яке характеризує власний момент імпульсу частинки. Іншими словами, якщо спін окремо взятої частинки визначається цілим числом – перед вами бозон, а якщо напівцілим – ферміон.

Тепер же твердження про те, що кожна остання частинка у всесвіті – від космічних променів до кварків – є або ферміоном, або бозоном, здається, доведеться переглянути. Ось що говорить про це френк вільчек, лауреат нобелівської премії з фізики з массачусетського технологічного інституту:»раніше у нас були бозони і ферміони, а тепер у нас є це третє царство елементарних частинок».

В ході наукового дослідження вчені довели, що еніони належать до окремого класу елементарних частинок.

В ході недавнього дослідження фізикам нарешті вдалося довести, що еніони поводяться як щось середнє між поведінкою бозонів і ферміонів. Більш того, їх поведінка в точності відповідає теоретичним прогнозам.

Причому тут гравітаційні хвилі?

Отже, освіживши в пам’яті стандартну модель, яка пояснює як взаємодіють невидимі оку частинки створюючи реальність, йдемо далі: якщо взаємодія елементарних частинок створює наш світ, то чи може фізика пояснити наше існування?

Дуже схоже на те. Принаймні астрофізики вважають, що на початку всесвіту існував дисбаланс між матерією і антиречовиною. І щоб зрозуміти, звідки він взявся, вчені звернулися до гравітаційних хвиль.

гравітаційні хвилі — це зміни гравітаційного поля, що поширюються подібно хвилям. Якщо зовсім просто, то вони спотворюють простір-час. Детальніше про те, що таке гравітаційні хвилі і коли і як їх відкрили читайте в захоплюючому матеріалі мого колеги артема сутягіна.

Гравітаційні хвилі можуть вирішити кризу космології

Команда фізиків-теоретиків, очолювана гремом уайтом з інституту фізики і математики всесвіту кавлі, зосередилася на явищі, під назвою q-ball . Як і в багатьох концепціях теоретичної фізики, q-ball відносно важко пояснити.

Тим часом, одна з найбільших космологічних загадок полягає в тому, чому всесвіт складається з набагато більшої кількості матерії, ніж антиречовини. Зовсім недавно команда фізиків-теоретиків зрозуміла, де шукати відповідь — необхідно виявити гравітаційні хвилі, створювані химерними квантовими об’єктами під назвою q-ball.

Не будемо також забувати, що у кожного виду звичайної частинки матерії є партнер з антиречовини з протилежними характеристиками. Так що коли матерія взаємодіє з антиречовиною, вони знищують один одного . Саме цей факт і робить наше існування загадкою, оскільки космологи майже впевнені, що на зорі всесвіту була рівна кількість речовини і антиречовини.

Гравітаційні хвилі, зафіксовані детектором ligo, відбулися через зіткнення чорних дір

Але якщо всі ці партнери по матерії і антиречовини повинні були знищити один одного, всесвіт би залишилася без матерії взагалі. Але матерія, як ми знаємо, існує, і дослідники починають поступово розуміти в чому весь сир-бор.

Одна з потенційних причин може полягати в q-ball-ах – теоретичних «грудках», які утворилися відразу після великого вибуху, до того, як всесвіт почала розширюватися. Ці об’єкти повинні містити свою власну асиметрію матерії і антиречовини. Це означає, що всередині кожного q-ball-а існують нерівні частки матерії і антиречовини .

І якби q-ball-и вивільнили більше матерії, ніж антиречовини, то стали б причиною гравітаційної брижі в просторі-часі. Згідно з результатами нового дослідження, опублікованого в журналі physical review letters, в такому випадку виявити q-ball-и можна було б за допомогою гравітаційних хвиль. Але як?

Розпад q-ball – ключ до створення гравітаційних хвиль

По суті, q-ball-и – це скупчення заряджених полів, які перетворилися в грудки і злиплися. Одного разу склеєні, вони, як правило, служать довго, переживши фонове випромінювання, що виникло в результаті розширення всесвіту. Але ось в них потенційно цікаво, так це те, що відбувається, коли q-ball розпадаються.

Розпад q-ball відбувається швидко і люто. Причому настільки, що вони утворюють гравітаційні хвилі! більш того, ці події розпаду відносно поширені, і вчені повинні мати засоби для їх виявлення. Обсерваторії гравітаційних хвиль, такі як ligo, вже виявили гравітаційні хвилі від інших джерел, порівнянні за силою і частотою з хвилями, викликаними розпадаються q-ball-ами.

Ймовірно, скоро ми дізнаємося про всесвіт багато нового

Хочете завжди бути в курсі останніх новин зі світу і високих технологій? підписуйтесь на наш канал в telegram — так ви точно не пропустите нічого цікавого!

Відзначимо, що до цих пір не було виявлено гравітаційних хвиль, приписуваних розпадам q-ball-ів. Тим не менш, доктор уайт і його колеги з оптимізмом дивляться в найближче майбутнє:

Майже напевно ми скоро виявимо сигнал з початку часів, що підтверджує цю теорію про те, чому ми і решта світу матерії взагалі існуємо. Це захоплююче твердження, і воно повинно цікавити будь – кого, хто кровно зацікавлений в тому, чому матерія взагалі існує, — пишуть автори наукової роботи.

Розібратися як влаштований наш світ непросто, але, здається, реально

І наостанок хочеться нагадати – мабуть в найближчі роки нас чекає величезна кількість відкриттів. Раніше в цьому році ми розповідали про «нову силу природи « — вчені з церн дійсно стоять на порозі відкриття»нової фізики».