• Monday July 15,2019

Begränsningar och signaturer i partikelkosmologi

Anonim

Om du verkligen har tur kan du ha en bra ny idé om partikelfysik. Det kan vara ett sätt att ta itu med hierarkiproblemet (varför är tyngdkraften så mycket svagare än den kända partikelfysiken) eller att generera massa för fermioner (trots allt har vi inte hittat Higgs ännu) eller för att förstå smakhierarki (hur kommer det att finnas tre upprepade familjer av partiklar i standardmodellen med ökande massor), eller kanske förena alla krafterna i en (Grand Unification). Självklart är din skyldighet att börja systematiskt beräkna konsekvenserna av denna idé för existerande och framtida partikelfysikförsök.

Trettio år sedan, med några anmärkningsvärda undantag skulle det ha varit slutet på historien. Men det har blivit alltmer tydligt för de flesta fysiker att det finns en komplementär lista över konsekvenser som bör utredas. de för kosmologi. Dessa tillvägagångssätt är idag i grunden andra naturen för någon av oss som kanske har nya idéer om hur mikrovärlden fungerar och återspeglar det moderna tänkandet att partikelfysik och kosmologi inte är distinkta discipliner, utan är två sidor av samma uppsättning av frågor.

Så, parallellt med tvärsnittet och sönderfallshastighetsberäkningarna, vilka är de vanligaste kosmologiska områdena där man för närvarande letar efter ytterligare begränsningar för ens nya partikelfysikidé? Vilka nya frågor behöver du fråga dig själv?

  1. Innehåller din teori några nya långlivade elementära partiklar? Om det gör så ser du bättre ut och du måste vara försiktig. Du ser att sådana partiklar kan sluta samverka med andra arter i det relativt tidiga universum (om de är svagkopplade) och så behålla en ganska hög överflöd när universum kyler. På grund av detta visar en relativt enkel beräkning att de snarare kan bli den dominerande bidragsgivaren till universums materiainnehåll. Detta kan vara en riktig katastrof, med tanke på hur mycket vi vet om den kosmiska expansionshistoriken, och att undvikas. Kopplingar, massor och livslängder för sådana partiklar måste därför vara sådana att de antingen aldrig dominerar universums energibudget, eller bara göra det rätta bidraget att vara intressant (se min andra lista nedan).
  2. Ett relaterat problem kan uppstå om din teori innehåller långlivade partiklar som är för ljusa, för om det finns för många av dem runt när strukturen försöker bildas, då för att de är lätta flytta de vanligtvis vid relativistiska hastigheter och strömmar genom överdrivna regioner utjämning av dem och förstörelse av strukturformation.
  3. Innehåller din teori några nya topologiska defekter, som monopoler, domänväggar eller kosmiska strängar ?. Om vakuumstrukturen i din partikelfysikteori är tillräckligt topologiskt komplex, så kan eventuella symmetriproblem som uppstår leda till fångade områden av falskt vakuum som inte kan förfallna. Om så är fallet kan många av de begränsningar som nämns för långlivade elementära partiklar vara tillämpliga på dessa föremål. Dessutom kan vissa topologiska defekter bilda nätverk som redshiftar långsammare, vilket betyder att dominerar vid en senare tidpunkt i universum eller kan generera ett spektrum av gravitationsstrålning som strider mot våra detaljerade mätningar av tidpunkten för millisekundens pulsar . Om denna sista begränsning är ett problem, är det också möjligt att defekterna oacceptabelt snedvrider spektrumet för den kosmiska mikrovågsbaggrundsstrålningen (CMB).
  4. I tidigt universum förändrar din teori väsentligt materiens innehåll eller expansionshastigheten av universum under bildandet av ljuselementen - Big Bang Nucleosynthesis (BBN)? Detta kan vara ett omedelbart dödslag, eftersom det anmärkningsvärda överenskommelsen mellan mätningar av ljusets överflöd och de som förutses inom standard kosmologin är en av våra triumfer och vårt första direkt test av Big Bang-modellen.
  5. Går det längre tillbaka i tiden, leder någon av de nya fysikerna i din modell till nya källor för täthet (eller metriska) störningar? Om så är fallet, när du bearbetar dessa genom kosmisk historia, hur ser det resulterande spektrumet av CMB ut, och hur korrelerar det med den relaterade förutsägelsen för spektrumet av storskalig struktur? Vad sägs om de förväntade resultaten av svaga linsstudier? Hur jämför alla dessa med de underbara data som har hällts under de senaste åren?
  6. .

Om din stora nya idé passerar alla dessa test (och andra jag inte har nämnt) kan du verkligen ha något. Om det här är allt det finns, kan du vara glad att din nya konstruktion ger upphov till nya partikelfysikfenomen, medan du är säker från kosmologiska begränsningar.

Men kanske man kan göra bättre. Medan vår underliggande modell av kosmologi står i anmärkningsvärt överenskommelse med vår ständigt ökande dataflöde, finns det ett antal kritiska områden där vi är, ingen ordsprog avsedd, i mörkret. Det kan vara så att din nya idé kan hjälpa till med några av dessa genuina kosmologiska conundrums. Vad ska du leta efter? Medan listan är alltmer lång i dessa dagar, här är några vanliga idéer.

  1. Fick WIMPS? Det finns många kopplingar mellan ny partikelfysik (särskilt bortom standardmodellfysiken som adresserar hierarkiproblemet) och mörk materia. Kanske har du en mörk materia kandidat i teorin. Du måste kontrollera om det finns en långlivad (stabil för alla ändamål) partikel med kopplingar av lämplig styrka (svag eller under) och massa i rätt intervall. Och det behöver inte vara en WIMP (svagt interagerande massiv partikel). Kanske är det en axion, eller till och med en WIMPZilla.
  2. Det finns ett antal tips att de högsta energikemiska strålarna kan kräva exotisk ny fysik för en fullständig förståelse. Över en viss energi (Greisen-Zatsepin-Kuzmin (GZK) cutoff), partiklar från kosmologiska avstånd borde inte nå oss, för att de skulle sprida CMB. Detta har lett till att folk spekulerar på att alla kosmiska strålningsstrålar (Ultra High-Energy Cosmetics) kan vara en underskrift av ny partikelfysik. Innehåller din teori några partiklar eller fenomen som skulle kunna låta detta hända, och vilket spektrum av UHECR ska vi förvänta oss? Några av de topologiska defekter som jag nämnde ovan kan vara ett exempel.
  3. Du har ingen chans att ha onaturliga svagt kopplade tunga skalar där ute? Eftersom vi söker en inflaton för att göra allt tidigt universums tunga lyft. Din kandidat ska kunna expandera exponentialt universum, utplåna sina rumsliga hypersurfaces, koppla orsakligt osynliga områden i mikrovågsugnen, generera allt innehållsinnehåll i senare epoker ( uppvärmning ) och tryck på den densitetsförstörningar som är nödvändiga för utsäde vår observerade storskaliga struktur.
  4. Kom och tänka på det, det finns ingen alternativ mekanism för inflationen i din teori där? Det är rimligt att säga att inflationen är vår bästa nuvarande idé om vad som hände i det tidiga universum, men det är inte utan problem, och en attraktiv konkurrent skulle vara mycket välkommen. Lycka till - den listan med krav är ganska svår att tillfredsställa.
  5. Nu är det en sak att generera saken, men du skapar vanligen en lika stor mängd antimaterier som kommer att förintas med materia och lämnar väldigt lite kvar för att bilda all den här underbara strukturen, bry dig om oss. Vad du verkligen behöver är ett sätt att skapa en asymmetri mellan materia och antimaterier (i själva verket är baryoner och antibaryoner vad vi bryr oss om) - en baryogenesmekanism . Kanske är din inflatonkandidat exotisk nog att generera detta som en del av uppvärmning. Kanske finns det asymmetriska förfall av tunga partiklar i din teori, eller kanske ett sätt att göra nonperturbative baryonnummer som bryter över övergångar. Du borde få på det med en gång!
  6. Den 800 pund gorillan i rummet dessa dagar är förstås kosmisk acceleration. Tänder du det kosmologiska konstanta problemet? Om inte, finns det en mörk energikandidat i din modell? Den här skulle vara underbart, men stressa inte om du inte har något att lägga till här - du är i gott företag.
  7. Egentligen, eftersom vi nu är på saker som verkar otroligt svåra att förklara, är din teori inte kunna berätta varför det finns 3 + 1 (rymd + tid) dimensioner är det? Det skulle bara vara bra.
  8. .

Som du kan se har modern kosmologi resulterat i många hinder för vilken uppåt och kommande partikelteori som ska korsas. Det är en tuff ny värld där ute. Å andra sidan, titta på alla de makroskopiska problem som din nya mikroskopiska teori kan hantera. Ovanstående listor är förvisso inte uttömmande - jag har definitivt missat viktiga hinder - men ännu viktigare finns det förmodligen andra viktiga partikelfysikanslutningar därtill att begränsa teoretiska idéer, bara väntar på att upptäckas, kanske av dig !


Intressanta Artiklar

Paris Hilton gör inte drog, hon är en drog.  En värktablett.

Paris Hilton gör inte drog, hon är en drog. En värktablett.

När du tittar på en bild av Paris Hilton känner du dig inte varm och luddig inuti, som om all smärta lämnade din kropp? Om så är fallet har du något gemensamt med manliga möss, för vilka man tittar på en bild av tabloiddronningen har en smärtstillande effekt. Men om du är mer som jag och tittar på en bild av arvingen ger dig heebie jeebies känner du dig bättre när du hör forskare 'förklaring till denna analgetiska effekt: Forskarna misstänker att bilden av Paris är verkligen bara stressar musen ut. De tror att hon är

Ansiktets utveckling: Ett brev till vissa läsare i Tennessee

Ansiktets utveckling: Ett brev till vissa läsare i Tennessee

Något konstigt hände nyligen till mig i Tennessee. Jag var faktiskt inte i Tennessee när det hände. Den främmande härligheten kom från där-faktiskt, från en plats i Tennessee-och så småningom nådde mig upp här i New England. Det började med en kolumn jag skrev i oktoberutgåvan av Discover, om utvecklingen av det mänskliga ansiktet. Ibland skriver

School Spying Update: Distrikt används webbkameror 42 gånger;  FBI på fallet

School Spying Update: Distrikt används webbkameror 42 gånger; FBI på fallet

När vi senast lämnade Lower Merion School District hade tjänstemännen cirkulerat vagnarna och vägrade att öppet diskutera rättegångskostnadsskolans administratörer med fjärråtkomst till webkamerorna i de bärbara datorer som utlämnades till studenter och gör det utan eleverna eller deras föräldrar 'kunskap. Skolan var gan

Forskare identifierar den skyldige som hotar den kinesiska Sturgeon med utrotning

Forskare identifierar den skyldige som hotar den kinesiska Sturgeon med utrotning

Kinas senaste ekonomiska boom har kommit på bekostnad av förorenade landskap och nyutrotningshotade arter, och nu förklarar en ny studie hur en annan art har lämnats ut på utkanten av utrotningen. Den utrotningshotade kinesiska sturgen bor i östra Kina och Gula haven och återvänder till Kinas Yangtze-flod för att gissa. Byggand

Regel nr 1 för bärande kärnhemligheter: Lämna inte bärbar dator i hotellrummet

Regel nr 1 för bärande kärnhemligheter: Lämna inte bärbar dator i hotellrummet

Allvarligt borde inte statliga tjänstemän som är involverade i hemlig verksamhet tvingas sitta genom datasäkerhet 101? Enligt en ny rapport visade en syrisk tjänsteman anmärkningsvärd okunnighet om bästa säkerhetspraxis samtidigt som han bodde i ett posh hotell i London 2006. Officiellt besökte den israeliska underrättelsetjänsten Mossad med misstankar om att han visste någonting om en hemlig kärnvapen reaktor i den syriska öknen på en plats kallad Al Kibar-komplexet. När syran gick

Dessa idioter förstörs av vetenskap

Dessa idioter förstörs av vetenskap

En ny studie från två doktorander vid University of Leicester har bevisat, en gång för alla, att Justin Timberlake inte vet vad han pratar om. I ett kort papper visar eleverna att det är fysiskt omöjligt för en person att gråta en flod. Även om vi gjorde varje person på jorden, såg Titanic samtidigt som vi lyssnade på Sarah McLachlan, och samlade då den ofrånkomliga floden av tårar, hela mänskligheten skulle fortfarande inte fylla en flod. Som en riktmär