A Fifth Force: Fact Or Fiction?

{h1}

Sommige natuurkundigen beweren dat een nieuwe kracht van de natuur ontdekt zou kunnen zijn. Als dat waar is, zou dat betekenen dat we de studieboeken moeten herschrijven.

Don Lincoln is een senior wetenschapper bij Fermilab, het grootste Amerikaanse onderzoekscentrum voor Large Hadron Colliders. Hij schrijft ook over wetenschap voor het publiek, inclusief zijn recente "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Blow Mind"(Johns Hopkins University Press, 2014) Je kunt hem volgenFacebook. Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan WordsSideKick.com's Expertvoices: Op-Ed & Insights.

Wetenschap en internet hebben een ongemakkelijke relatie: de wetenschap heeft de neiging om vooruitgang te boeken door een zorgvuldige en vervelende evaluatie van gegevens en theorie, en het proces kan jaren in beslag nemen. Daarentegen heeft de internetgemeenschap over het algemeen de aandachtsspanne van Dory, de verstrooide vis van "Finding Nemo" (en nu "Finding Dory") - een meme hier, een foto van een beroemdheid daar - oh, kijk... een grappige kattenvideo.

Dus mensen die geïnteresseerd zijn in serieuze wetenschap moeten uiterst voorzichtig zijn wanneer ze een online verhaal lezen dat een paradigma-verschuivende wetenschappelijke ontdekking lijkt te zijn. Een recent voorbeeld is een die suggereert dat een nieuwe natuurkracht ontdekt zou kunnen zijn. Als dat waar is, zou dat betekenen dat we de studieboeken moeten herschrijven.

Als fysicus zou ik een gedisciplineerd wetenschappelijk licht op de bewering willen werpen.

[Beyond Higgs: 5 ongrijpbare deeltjes die zich in het heelal kunnen bevinden]

Een vijfde kracht

Dus wat is er beweerd?

In een artikel dat op 7 april 2015 werd ingediend bij de arXiv-repository van natuurkundige artikelen, meldde een groep Hongaarse onderzoekers een onderzoek waarin ze een intense bundel protonen (deeltjes gevonden in het midden van atomen) op dunne lithiumdoelen richtten. De botsingen veroorzaakten geëxciteerde kernen van beryllium-8, die vervielen tot gewone beryllium-8 en paren van elektron-positrondeeltjes. (Het positron is het antimaterie-equivalent van het elektron.)

Het standaardmodel is de verzameling theorieën die de kleinste experimenteel waargenomen materiedeeltjes en de interacties tussen energie en materie beschrijven.

Het standaardmodel is de verzameling theorieën die de kleinste experimenteel waargenomen materiedeeltjes en de interacties tussen energie en materie beschrijven.

Dankbetuiging: Karl Tate, WordsSideKick.com Infographic Artist

Ze beweerden dat hun gegevens niet konden worden verklaard door bekende fysieke verschijnselen in het standaardmodel, het heersende model dat de deeltjesfysica beheerst. Maar ze beweerden dat ze de gegevens konden verklaren als er een nieuw deeltje bestond met een massa van ongeveer 17 miljoen elektronvolt, dat is 32,7 keer zwaarder dan een elektron en slechts twee procent van de massa van een proton. De deeltjes die in dit energiegebied ontstaan, die volgens moderne normen relatief laag zijn, zijn goed bestudeerd. En dus zou het zeer verrassend zijn als een nieuw deeltje in dit energieregime zou worden ontdekt.

De meting overleefde echter peer review en werd gepubliceerd op 26 januari 2016 in het tijdschrift Physical Review Letters, een van de meest prestigieuze natuurkunde-tijdschriften ter wereld. In deze publicatie hebben de onderzoekers en dit onderzoek een indrukwekkende hindernis weggewerkt. [Wat is dat? Je fysica vragen beantwoord]

Hun meting kreeg weinig aandacht totdat een groep theoretische fysici van de University of California, Irvine (UCI) hun aandacht erop richtten. Zoals theoretici vaak doen met een controversiële natuurkundemeting, vergeleek het team het met het aantal werk dat in de afgelopen eeuw of zo is verzameld, om te zien of de nieuwe gegevens consistent zijn of inconsistent met de bestaande hoeveelheid kennis. In dit geval keken ze naar een tiental gepubliceerde studies.

Wat ze ontdekten, was dat hoewel de meting niet in conflict was met eerdere studies, het iets leek te zijn dat nog nooit eerder werd waargenomen - en iets dat niet kon worden verklaard door het standaardmodel.

Nieuw theoretisch kader

Om de Hongaarse meting te begrijpen, heeft deze groep van UCI-theoretici een nieuwe theorie bedacht.

De theorie die is uitgevonden door de Irvine-groep is echt heel exotisch. Ze beginnen met het zeer redelijke uitgangspunt dat het mogelijke nieuwe deeltje iets is dat niet wordt beschreven door de bestaande theorie. Dit is logisch omdat het mogelijke nieuwe deeltje een zeer lage massa heeft en eerder zou zijn ontdekt als het werd bepaald door bekende fysica. Als dit een nieuw deeltje was dat geregeerd werd door nieuwe fysica, is er misschien een nieuwe kracht bij betrokken. Omdat traditioneel natuurkundigen spreken over vier bekende fundamentele krachten (zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten), is deze hypothetische nieuwe kracht "de vijfde kracht" genoemd.

Theorieën en ontdekkingen van een vijfde kracht hebben een geruite geschiedenis, die decennia teruggaat, waarbij metingen en ideeën ontstaan ​​en verdwijnen met nieuwe gegevens. Aan de andere kant zijn er mysteries die niet worden verklaard door de gewone natuurkunde, zoals bijvoorbeeld donkere materie. Hoewel donkere materie in het verleden is gemodelleerd als een enkele vorm van een stabiel en massief deeltje dat de zwaartekracht ervaart en geen van de andere bekende krachten, is er geen reden dat donkere materie geen krachten zou kunnen ervaren die gewone materie niet ervaart. Tenslotte, gewone materie ervaart krachten die donkere materie niet, dus de hypothese is niet zo dom.

Er is geen reden waarom donkere materie geen krachten zou kunnen ervaren die gewone materie niet ervaart. Hier, in de melkwegcluster Abell 3827, werd donkere materie waargenomen die interactie met zichzelf had tijdens een botsing van een sterrenstelsel.

Er is geen reden waarom donkere materie geen krachten zou kunnen ervaren die gewone materie niet ervaart. Hier, in de melkwegcluster Abell 3827, werd donkere materie waargenomen die interactie met zichzelf had tijdens een botsing van een sterrenstelsel.

Krediet: ESO

Er zijn veel ideeën over krachten die alleen donkere materie beïnvloeden en de term voor dit basisidee wordt 'complexe donkere materie' genoemd. Een algemeen bekend idee is dat er een donker foton is dat samenwerkt met een donkere lading die alleen door donkere materie wordt gedragen. Dit deeltje is een analoog van donkere materie van het foton van gewone materie dat interageert met bekende elektrische lading, met één uitzondering: sommige theorieën van complexe donkere materie doordringen donkere fotonen met massa, in schril contrast met gewone fotonen. [Galerij: Dark Matter Through the Universe]

Als er donkere fotonen bestaan, kunnen ze worden gekoppeld aan gewone materie (en gewone fotonen) en vervallen tot elektronenpositieve paren, hetgeen de Hongaarse onderzoeksgroep aan het onderzoeken was. Omdat donkere fotonen geen interactie hebben met gewone elektrische lading, kan deze koppeling alleen plaatsvinden vanwege de grillen van de kwantummechanica. Maar als wetenschappers een toename van elektron-positronparen beginnen te zien, kan dat betekenen dat ze een donker foton waarnamen.

De Irvine-groep vond een model met een "protofoob" deeltje dat niet werd uitgesloten door eerdere metingen en dat het Hongaarse resultaat zou verklaren. Deeltjes die "protofoob" zijn, wat letterlijk "angst voor protonen" betekent, hebben zelden of nooit interactie met protonen maar kunnen interageren met neutronen (neutrofiel).

Het deeltje voorgesteld door de Irvine-groep ervaart een vijfde en onbekende kracht, die in het bereik ligt van 12 femtometers, of ongeveer 12 keer groter dan een proton. Het deeltje is protofoob en neutrofiel. Het voorgestelde deeltje heeft een massa van 17 miljoen elektronvolt en kan uiteenvallen in elektron-positronparen. Naast het uitleggen van de Hongaarse meting, zou een dergelijk deeltje enkele afwijkingen helpen verklaren die door andere experimenten worden waargenomen. Dit laatste gevolg voegt iets toe aan het idee.

Paradigmaverschuivende kracht?

Dit is dus de status.

Wat is waarschijnlijk waar? Uiteraard zijn gegevens koning. Andere experimenten moeten de meting bevestigen of weerleggen. Niets anders doet er echt toe. Maar dat duurt een jaar of zo en misschien is het leuk om een ​​idee te hebben. De beste manier om de waarschijnlijkheid te schatten dat de bevinding reëel is, is te kijken naar de reputatie van de verschillende betrokken onderzoekers. Dit is duidelijk een slordige manier om wetenschap te doen, maar het zal je verwachtingen schaden.

Laten we beginnen met de Irvine-groep. Velen van hen (meestal de senioren) zijn gerespecteerde en gevestigde leden van het veld, met inhoudelijke en solide papieren in hun verleden. De groep omvat een spectrum van leeftijden, met zowel senior als junior leden. In het belang van volledige openbaarmaking, ken ik enkelen van hen persoonlijk en inderdaad, twee van hen hebben de theoretische gedeelten van hoofdstukken van boeken gelezen die ik voor het publiek heb geschreven om ervoor te zorgen dat ik niets stoms zei. (Overigens vonden ze geen blunders, maar ze hebben zeker geholpen bij het verhelderen van bepaalde punten.) Dat bewijst zeker mijn grote achting voor leden van de Irvine-groep, maar tast mogelijk mijn mening aan. Naar mijn mening hebben ze vrijwel zeker een grondige en professionele taak vervuld om hun nieuwe model te vergelijken met bestaande gegevens. Ze hebben een klein en onontgonnen gebied gevonden van mogelijke theorieën die zouden kunnen bestaan.

Aan de andere kant is de theorie behoorlijk speculatief en hoogst onwaarschijnlijk. Dit is geen aanklacht... alle voorgestelde theorieën kunnen op deze manier worden geëtiketteerd. Het Standaard Model, dat de deeltjesfysica beheerst, is immers bijna een halve eeuw oud en grondig onderzocht. Bovendien zijn ALLE nieuwe theoretische ideeën speculatief en onwaarschijnlijk en bijna allemaal verkeerd. Dit is ook geen aanklacht. Er zijn veel manieren om mogelijke aanpassingen aan bestaande theorieën toe te voegen om rekening te houden met nieuwe verschijnselen. Ze kunnen niet allemaal gelijk hebben. Soms heeft geen van de voorgestelde ideeën gelijk.

We kunnen echter uit de reputatie van de groepsleden concluderen dat ze een nieuw idee hebben gegenereerd en hebben vergeleken met alle relevante bestaande gegevens. Het feit dat ze hun model hebben vrijgegeven, betekent dat het hun tests heeft overleefd en dat het dus een geloofwaardige, zo onwaarschijnlijke, mogelijkheid blijft.

Hoe zit het met de Hongaarse groep? Ik ken geen van hen persoonlijk, maar het artikel is gepubliceerd in Physical Review Letters - een krijtstreep in de win-kolom. De groep heeft echter ook twee eerdere publicaties gepubliceerd waarin vergelijkbare anomalieën zijn waargenomen, waaronder een mogelijk deeltje met een massa van 12 miljoen elektronvolt en een tweede publicatie die de ontdekking claimt van een deeltje met een massa van ongeveer 14 miljoen elektronvolt. Beide claims werden vervolgens vervalst door andere experimenten.

Verder heeft de Hongaarse groep nooit op bevredigende wijze bekendgemaakt welke fout is gemaakt die in deze onjuiste beweringen resulteerde. Een andere mogelijke rode vlag is dat de groep zelden gegevens publiceert die geen anomalieën claimen. Dat is onwaarschijnlijk. In mijn eigen onderzoeksloopbaan waren de meeste publicaties een bevestiging van bestaande theorieën. Anomalieën die aanhouden zijn zeer, zeer, zeldzaam.

Dus wat is de bottom line? Zou je enthousiast moeten zijn over deze nieuwe mogelijke ontdekking? Wel... zeker... mogelijke ontdekkingen zijn altijd spannend. Het standaardmodel heeft de tand des tijds een halve eeuw doorstaan, maar er zijn onverklaarde mysteries en de wetenschappelijke gemeenschap is altijd op zoek naar de ontdekking die ons in de richting van een nieuwe en verbeterde theorie wijst. Maar wat is de kans dat deze meting en theorie ertoe zal leiden dat de wetenschappelijke wereld een nieuwe kracht accepteert met een bereik van 12 fm en met een deeltje dat protonen schuwt? Mijn gevoel is dat dit een lang shot is. Ik ben niet zo optimistisch over de kansen op deze uitkomst.

Natuurlijk is deze mening alleen dat... een mening, zij het een geïnformeerde.Andere experimenten zullen ook op zoek gaan naar donkere fotonen omdat, zelfs als de Hongaarse meting niet tegen controle aankan, er nog steeds een reëel probleem is met donkere materie. Veel experimenten op zoek naar donkere fotonen zullen dezelfde parameterruimte verkennen (bijvoorbeeld energie, massa en vervalmodi) waarin de Hongaarse onderzoekers beweren een anomalie te hebben gevonden. We zullen snel (binnen een jaar) weten of deze anomalie een ontdekking is of gewoon een nieuwe bult in de gegevens die de community tijdelijk opwinden, om vervolgens te worden weggegooid omdat betere gegevens worden vastgelegd. En, ongeacht de uitkomst, goede en betere wetenschap zal het uiteindelijke resultaat zijn.

Volg alle Expert Voices-problemen en debatten - en deel uitmaken van de discussie - op Facebook, Twitter en Google+. De weergegeven meningen zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de mening van de uitgever. Deze versie van het artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op WordsSideKick.com.


Video Supplement: Is There a Fifth Fundamental Force? + Quantum Eraser Answer | Space Time | PBS Digital Studios.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com