Другими словами, скорость света дает нам возможность конвертировать "время" в "расстояние" и наоборот. Рассмотрим частицу, которая движется очень близко к скорости света. Если она путешествует в течение 1 секунды (1,00 секунды), то преодолевает расстояние 300 000 км. За 1 микросекунду (10-6 секунд) она преодолевает расстояние до 300 метров. За 1 пикосекунду (10-12 секунд), она проходит до 0,3 миллиметра или 300 микрон. За 1 аттосекунду (10-18 секунд), она проходит 0,3 нанометра или 3 ангстрема. А за 1 йоктосекунду (10-24 секунды), частица проходит расстояние 0,3 фемтометра или 3 ? 10-15 метров.
С точки зрения человека, точности наносекундного уровня достаточно, чтобы отличить световой сигнал от другого, поскольку свет за это время проходит 30 сантиметров. С точки зрения атома или молекулы, точности на аттосекундном уровне достаточно, чтобы определить, находится ли молекула воды в жидком или газообразном состоянии. Именно поэтому Нобелевская премия по физике этого года имеет такое большое значение
С помощью метода аттосекундной спектроскопии было обнаружено, что фотоэмиссия электронов жидкой воды имеет временную задержку 50-70 аттосекунд по сравнению с фотоэмиссией из газовой фазы (паров воды). Это исследование стало возможным благодаря новаторской работе Пьера Агостини, Ференца Крауса и Анны Л'Юйе: лауреатов Нобелевской премии по физике 2023 года.
А что насчет частиц? Здесь все становится сложнее. Если все, что вам нужно, - это отличить одну частицу от другой, то достаточно измерить ваше местоположение с точностью, меньшей расстояния между частицами. Если частицы имеют размер атома (около ангстрема), то аттосекундное время подойдет. Если частицы имеют размер атомного ядра (около фемтометра), то вам нужен йоктосекундный тайминг.
Но на самом деле мы измеряем и маркируем отдельные субатомные частицы не так. Обычно у нас нет системы отдельных частиц, и мы хотели бы знать, с какой из них мы взаимодействуем; вместо этого у нас есть столкновение серии частиц и/или античастиц, некоторые из них нейтральны, а некоторые заряжены, некоторые из них стабильны, а некоторые нестабильны, некоторые из них взаимодействуют, а некоторые нет.
Тогда мы создаем различные условия вокруг точки столкновения - точки, которую мы, создатели экспериментов, контролируем - чтобы попытаться "уговорить" эти частицы взаимодействовать.
При высоких энергиях становятся возможны открытия, которые не происходят при более низких энергиях. Современные детекторы частиц подобны слоеному пирогу, способному отслеживать обломки частиц, чтобы восстановить то, что произошло, как можно ближе к точке столкновения.
Если вы создадите частицу, которая распадается в результате слабых взаимодействий, с типичным временем жизни в диапазоне от ~ 10-10 секунд (для лямбда-барионов), до ~ 10-8 секунд (для каонов и заряженных пионов), до ~ 10-6 секунд (для мюонов), то обычно можно непосредственно измерить время полета, поскольку перед распадом частица пролетит несколько миллиметров или больше.
Если точность будет примерно на уровне аттосекунды, то, возможно, мы сможем начать измерять положения частиц либо с помощью более быстрых импульсов, либо расположив наши детекторы еще ближе к точке столкновения. Но позиционирование детектора не поможет, потому что детекторы состоят из атомов, и поэтому существует предел того, насколько близко вы можете расположить детектор к точке столкновения.
Итан Сигел
Существует ли пятая фундаментальная сила природы?
Несмотря на все, что мы узнали о природе Вселенной - от фундаментального, элементарного уровня до самых больших космических масштабов, которые только можно себе представить, - мы абсолютно уверены, что предстоит сделать еще много великих открытий. Наши лучшие на данный момент теории впечатляют: квантовые теории поля, описывающие электромагнитное взаимодействие, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия, с одной стороны, и общая теория относительности, описывающая эффекты гравитации, с другой стороны. Где бы этим теориям ни бросали вызов, от субатомных до космических масштабов, они всегда выходили победителями.
И тем не менее, эти теории не могут отразить все, что существует. Современная физика не может объяснить, почему во Вселенной больше вещества, чем антивещества. Мы также не можем понять, какова природа темного вещества, является ли темная энергия чем-то иным, кроме космологической постоянной, и как именно произошла космическая инфляция, создавшая условия для горячего Большого взрыва. И на фундаментальном уровне мы не знаем, объединяются ли каким-либо образом все известные силы под каким-то всеобъемлющим зонтиком.
У нас есть подсказки о том, что во Вселенной есть нечто большее, чем то, что мы знаем сейчас, но есть ли новая фундаментальная сила? Хотите - верьте, хотите - нет, но у нас есть два совершенно разных подхода, чтобы попытаться найти ответ на этот вопрос.
Подход No1: грубая сила
Если вы хотите открыть что-то до сих пор неизвестное во Вселенной, один из подходов - просто исследовать это более экстремальным способом, чем когда-либо прежде. Планируется: построить телескоп, чтобы видеть дальше во времени или с более высоким разрешением, чем когда-либо прежде; построить ускоритель частиц, способный сталкивать частицы с более высокими энергиями, чем когда-либо прежде, или разработать аппарат для охлаждения материи ближе к абсолютному нулю, чем когда-либо прежде.
Все это примеры применения подхода "грубой силы". Исследуйте Вселенную в более экстремальных условиях, чем вы когда-либо исследовали раньше, и это может открыть что-то шокирующее, удивительное и захватывающее. Это вариант, который мы всегда должны изучать, когда дело касается Вселенной, поскольку наши текущие ограничения по всем этим параметрам определяются только совокупными ограничениями наших технологий на тот момент, когда мы решили сделать крупные инвестиции на этих фронтах.
Благодаря усовершенствованным технологиям и возможности заново инвестировать в эти (и подобные) подходы мы можем постоянно расширять границы человеческих знаний на всех важных границах. В науке мы говорим о преодолении наших прежних ограничений с точки зрения открытия нового "пространства открытий", и иногда - например, когда мы взломали атомное ядро в 20 веке - именно здесь появляются новые фундаментальные открытия.
Подход No2: Высокая точность
С другой стороны, вы можете признать, что наши теории дают очень точные предсказания, и что, если мы сможем проводить измерения с той же высокой точностью, мы сможем увидеть, есть ли какие-либо отклонения от предсказаний, которые подтверждаются экспериментами и наблюдениями. Это можно делать разными способами, в том числе изучая все большее число частиц, столкновений или событий. По сути, каждый раз, когда вы пытаетесь увеличить отношение сигнал/шум того, что вы пытаетесь измерить, будь то с помощью статистики, усовершенствованных экспериментальных процедур или устранения известных источников ошибок, вы можете повысить точность исследования Вселенной.
Именно эти высокоточные подходы во многом являются наиболее многообещающими для обнаружения новой силы: если вы видите эффект - даже в 10-м или 12-м десятичном знаке - который не согласуется с вашими теоретическими предсказаниями, это может быть намеком на то, что в игре задействована новая сила или взаимодействие.
Точность, с которой масса W-бозона была измерена коллаборацией CDF с использованием старых данных TeVatron, указывает на беспрецедентное несоответствие между предсказаниями Стандартной модели и тем, что мы наблюдали. С точки зрения экспериментальной физики элементарных частиц это могло бы быть лучшим доказательством существования физики за пределами Стандартной модели, но это также могло быть и ложным результатом. В любом случае детекторы CMS и ATLAS на БАК должны либо подтвердить, либо опровергнуть эти выводы.
Главное - искать то, что мы называем "аномалиями" или местами, где теория и эксперимент расходятся. В 2015 году эксперимент по ядерной физике дал результаты, которые, казалось, противоречат очень конкретным предсказаниям о том, что должно произойти, когда нестабильное ядро бериллия-8 создается в возбужденном состоянии. Теоретически бериллий-8 распадается на два ядра гелия-4. В возбужденном состоянии он должен распасться на фотон и два ядра гелия-4. И при достижении определенной энергии фотона должен быть шанс, что вместо фотона и двух ядер гелия-4 вы получите пару электрон-позитрон и два ядра гелия-4.
Эксперимент 2015 года, проведенный Аттилой Краснахоркаем, обнаружил небольшое, но значимое превышение количества событий, когда электрон и позитрон улетали под большими углами относительно друг друга: около 140 градусов и больше. Это стало известно как аномалия Атомки, и многие предположили, что новая частица и новое фундаментальное взаимодействие (или пятая сила) могут быть ключевым объяснением этих результатов.
Но этому результату есть не только множество возможных объяснений, но и самое простое, возможно, самое отрезвляющее: где-то на этом пути произошла ошибка. В принципе, это может означать: ошибка в сделанных теоретических расчетах, погрешность измерения в любой точке пути, или экспериментальная ошибка, связанная с постановкой эксперимента и способом его проведения.
В данном конкретном случае рассматриваемая группа ранее уже представила три результата, каждый из которых утверждал, что открыта пятая сила, но ни один из результатов не подтвердился.
Возможно, еще существует пятая фундаментальная сила, и она может скрываться в любом месте, где данные тем или иным образом нас удивили. Однако нам следует быть очень осторожными, чтобы не сделать (почти наверняка) неверных выводов, основанных на предварительных данных. Многие все еще надеются, что темная энергия окажется чем-то иным, чем космологическая константа, что означает, что она все еще может быть пятой фундаментальной силой природы, но все наблюдения не показывают никаких отклонений от скучной старой космологической константы, предсказанной Эйнштейном более ста лет. назад. Но вы должны помнить, что любое подобное утверждение должно выдержать проверку.