A cincea forță

În fizică, există patru forțe sau interacțiuni fundamentale acceptate convențional care formează baza tuturor interacțiunilor cunoscute în natură: forțe gravitaționale, electromagnetice, nucleare puternice și nucleare slabe. Unele teorii speculative au propus o a cincea forță pentru a explica diferite observații anormale care nu se potrivesc cu teoriile existente. Caracteristicile acestei de a cincea forță depind de avansarea teoriei. Mulți postulează o forță de aproximativ puterea gravitației (adică este mult mai slabă decât electromagnetismul sau forțele nucleare), cu un interval de oriunde mai mic de un milimetru până la scale cosmologice. O altă propunere este o nouă forță slabă, mediată de bosoni W’ și Z’.

Căutarea unei a cincea forțe a crescut în ultimele decenii, datorită a două descoperiri din cosmologie care nu sunt explicate de teoriile curente. S-a descoperit că cea mai mare parte a masei universului este reprezentată de o formă necunoscută de materie numită materie întunecată. Majoritatea fizicienilor cred că materia întunecată este o nouă particulă subatomică nedescoperită, dar unii cred că aceasta ar putea fi legată de o forță fundamentală necunoscută. În al doilea rând, s-a descoperit recent că expansiunea universului se accelerează, atribuită unei forme de energie numită energie întunecată. Unii fizicieni speculează că o formă de energie întunecată numită chintesență ar putea fi o forță a cincea.

Abordări experimentale

O forță fundamentală nouă ar putea fi dificil de testat. Gravitatea, de exemplu, este o forță atât de slabă încât interacțiunea gravitațională dintre două obiecte este semnificativă numai atunci când una dintre ele are o masă mare. Prin urmare, este nevoie de echipamente foarte sensibile pentru a măsura interacțiunile gravitaționale dintre obiectele mici, comparativ cu Pământul. O forță fundamentală nouă (sau „a cincea”) ar putea fi, în mod similar, slabă și, prin urmare, dificil de detectat. Cu toate acestea, la sfârșitul anilor 1980 o a cincea forță, operând la scară municipală (adică e o distanță de aproximativ 100 de metri), a fost raportată de cercetători (Fischbach et al.), care reanalizau rezultatele lui Loránd Eötvös de la inceputul secolului . Se crede că forța este legată de hipersarcină. În ultimii ani, alte experimente nu au reușit să reproducă acest rezultat.

Există cel puțin trei tipuri de căutări care pot fi întreprinse, care depind de tipul de forță luat în considerare și de gama sa.

Principiul echivalenței

O modalitate de a căuta o forță a cincea este cu testele principiului puternic de echivalență: acesta este unul dintre cele mai puternice teste ale teoriei gravitației lui Einstein: relativitatea generală. Teoriile alternative ale gravitației, cum ar fi teoria lui Brans-Dicke, au o a cincea forță – posibil cu o gamă infinită. Acest lucru se datorează faptului că interacțiunile gravitaționale, în teorii altele decât relativitatea generală, au grade de libertate altele decât „metrica”, care dictează curbura spațiului și diferite grade de libertate produc efecte diferite. De exemplu, un câmp scalar nu poate produce curbarea razei de lumină. Cea de-a cincea forță s-ar manifesta printr-un efect asupra orbitelor sistemului solar, numit efectul Nordtvedt. Acest lucru este testat cu experimentul Lunar Laser Ranging și interferometria de bază foarte lungă.

Dimensiuni suplimentare

Un alt fel de forță a cincea, care apare în teoria lui Kaluza-Klein, unde universul are dimensiuni suplimentare, sau în supergravitate sau teoria corzilor, este forța Yukawa, care este transmisă de un câmp scalar ușor (adică un câmp scalar cu o lungime de undă Compton , care determină intervalul). Acest lucru a determinat o multitudine de interese recente, deoarece o teorie a dimensiunilor supersimetrice de mari dimensiuni suplimentare – dimensiuni cu o magnitudine puțin mai mică decât un milimetru – a determinat un efort experimental de a testa gravitatea pe aceste scale foarte mici. Acest lucru necesită experimente extrem de sensibile, care caută o abatere de la legea pătrată inversă a gravitației, pe un interval de distanțe. În esență, ei caută semne că interacțiunea Yukawa apare la o anumită lungime.

Cercetătorii australieni, încercând să măsoare constanta gravitațională la adâncime într-o mină, au găsit o discrepanță între valoarea estimată și cea măsurată, valoarea măsurată fiind cu două procente prea mică. Ei au ajuns la concluzia că rezultatele pot fi explicate printr-o forță a cincea respingătoare, cu o arie de la câțiva centimetri până la un kilometru. Experimente similare s-au efectuat la bordul unui submarin, USS Dolphin (AGSS-555), în timp ce era adânc scufundat. Un alt experiment care măsoară constanta gravitațională într-un puț de adâncime din calota de gheață a Groenlandei a constatat discrepanțe de câteva procente, dar nu a fost posibil să se elimine o sursă geologică pentru semnalul observat .

Mantia Pământului

Un alt experiment folosește mantia pământului ca detector de particule gigantice, concentrându-se pe geoelectroni.

Variabile ale cefeidelor

În 2012, Bhuvnesh Jain și alții au examinat datele existente privind rata de pulsație a stelelor variabile cefeide în 25 de galaxii care conțin peste o mie de stele în total. Teoria sugerează că rata de pulsare ar urma un model diferit în galaxiile ecranate de o forță ipotetică a cincea de clusterele din vecinătate din cele care nu sunt verificate. Ei nu au reușit să găsească variații de la teoria gravitației lui Einstein .

Alte abordări

Unele experimente au folosit un lac plus un turn cu o înălțime de 320 m. O revizuire cuprinzătoare de către Ephraim Fischbach și Carrick Talmadge a sugerat că nu există dovezi convingătoare pentru forța a cincea, deși oamenii de știință o caută încă. Articolul din Fishbach-Talmadge a fost scris în 1992, iar de atunci au apărut alte dovezi care pot indica o a cincea forță.

Experimentele de mai sus caută o a cincea forță care, ca și gravitația, este independentă de compoziția unui obiect, astfel încât toate obiectele să experimenteze forța proporțională cu masele lor. Forțele care depind de compoziția unui obiect pot fi testate foarte sensibil prin experimente de echilibru de torsiune, de un tip inventat de Loránd Eötvös. Astfel de forțe pot depinde, de exemplu, de raportul dintre protoni și neutroni într-un nucleu atomic, spinul nuclear sau cantitatea relativă de diferite tipuri de energie de legare într-un nucleu (a se vedea formula semi-empirică a masei). Căutările au fost efectuate de la intervale foarte scurte, până la scalele municipale, la scara Pământului, la soare și la materia întunecată din centrul galaxiei.

Gravitația modificată

De asemenea, cunoscută sub numele de gravitație non-locală. Câțiva fizicieni cred că teoria gravitației lui Einstein va trebui să fie modificată, nu la scară mică, ci la distanțe mari sau, în mod similar, la accelerații mici. Aceasta ar schimba forța gravitațională în o forță non-locală. Ei subliniază faptul că materia întunecată și energia întunecată sunt inexplicabile prin modelul standard al fizicii particulelor și sugerează că este necesară o anumită modificare a gravitației, eventual rezultată din dinamica newtoniană modificată sau principiul holografic. Acest lucru este fundamental diferit de ideile convenționale ale unei a cincea forțe, deoarece devine mai puternic față de gravitatea la distanțe mai mari. Majoritatea fizicienilor, cred că materia întunecată și energia întunecată nu sunt ad-hoc, ci sunt susținute de un număr mare de observații complementare și descrise printr-un model foarte simplu.

Dovezi posibile

În 2015, Attila Krasznahorkay la Institutul de Cercetări Nucleare al Ungariei din Debrecen, Ungaria, și colegii săi, au luat în considerare existența unui nou boson ușor doar de 34 de ori mai greu decât electronul. Într-un efort de a găsi un foton întunecat, echipa maghiară a tras în protoni în ținte subțiri ale litiului-7, ceea ce a creat nuclee instabile de beriliu-8, care apoi s-au dezintegrat și au ejectat perechi de electroni și positroni. Dezintegrări excesive au fost observate la un unghi de deschidere de 140 ° între e+ și e- și o energie combinată de 17 MeV, ceea ce a indicat că o mică fracțiune de beriliu-8 va elimina excesul de energie sub forma unei particule noi.

În 2016, Jonathan Feng et al., a propus ca un boson X protofobic cu o masă de 16,7 MeV cu cuplaje suprimate la protoni în raport cu neutronii și electronii și de ordinul femtometrului ar putea explica datele. Forța poate explica anomalia muonului m-2 și poate oferi un candidat pentru materia întunecată. Sunt în desfășurare mai multe experimente de cercetare pentru a încerca să valideze sau să respingă aceste rezultate.