제5의 힘

물리학에서는 중력, 전자기, 강한 핵력, 약한 핵력 등 네 가지 기본 상호작용이 관찰됩니다. 일부 추측 이론은 기존 이론에 맞지 않는 다양한 변칙 관측치를 설명하는 다섯 번째 힘을 제안했습니다. 이 다섯 번째 힘의 특성은 진행 중인 가설에 달려 있습니다. 많은 사람들은 1밀리미터 미만에서 우주론적 규모의 범위를 갖는 중력의 강도(즉, 전자기력이나 핵력보다 훨씬 약한 힘)를 대략적으로 가정합니다. 또 다른 제안은 W' 및 Z' 보손에 의해 매개되는 새로운 약한 힘입니다.

최근 몇 십 년 동안 다섯 번째 힘에 대한 연구는 현재의 이론으로 설명되지 않는 우주론의 두 가지 발견으로 인해 증가했습니다. 우주의 질량 대부분은 암흑물질이라고 불리는 미지의 형태의 물질에 의해 설명된다는 사실이 밝혀졌습니다. 대부분의 물리학자들은 암흑물질이 발견되지 않은 새로운 아원자 입자들로 구성되어 있다고 믿고 있지만,^[1] 일부는 알려지지 않은 근본적인 힘과 관련이 있을 수 있다고 믿고 있습니다. 둘째, 최근에는 우주의 팽창이 가속화되고 있다는 사실도 밝혀졌는데, 이는 암흑 에너지라고 불리는 에너지의 한 형태 때문이라고 합니다. 일부 물리학자들은 5중성이라고 불리는 암흑 에너지의 한 형태가 다섯 번째 힘이 될 수 있다고 추측합니다.^[2][3]

역사

다섯 번째 힘이라는 용어는 Fischbach et al. 이 1986년 논문에서 유래합니다. Fischbach et al. 은 세기 초 로랑 외트뵈스의 외트뵈스 실험에서 얻은 데이터를 재분석했으며, 재분석에서는 역제곱 법칙에서 벗어난 중력에 대한 거리 의존성을 발견했습니다. ^{[4][5]: 57} 재분석은 1971년 후지이가 유카와 퍼텐셜과 유사한 용어로 거리 의존성을 변화시키는 모델을 제안하면서 이론적 연구로 촉발되었습니다.

${\displaystyle V(r)=-G_{\infty }{\frac {m_{i}m_{j}}{r_{ij}}}(1+\alpha e^{-r/\lambda })}$

파라미터 $\alpha$ ${\displaystyle \alpha}$는 교호작용의 범위의 강도와$$λ {\displaystyle$$\lambda}를 특징으로 합니다. Fischbach의 논문은 중력의 1% 정도의 강도와 수백 미터의 범위를 발견했습니다.^{[8]: 26} 이 전위의 효과는 벡터 및/또는 스칼라 보손의 교환으로 동등하게 설명될 수 있으며, 이는 아직 감지되지 않은 새로운 입자의 예측입니다.^[5] 그러나 편차를 재현하려는 많은 후속 시도는 실패했습니다.^[9]

이론.

다섯 번째 힘 범주의 이론 제안은 일반 상대성 이론과 양자장 이론의 현재 모델 사이의 두 가지 불일치, 즉 계층 문제와 우주 상수 문제에 의해 추진됩니다. 두 문제 모두 약 ${\displaystyle 100\mu m}${\$displaystyle 100\mu${\$text{m}}$의 중력 퍼텐셜에 대한 수정 가능성을 시사합니다$.$^{[5]: 58}

실험적 접근법

최소 세 가지 종류의 검색을 수행할 수 있으며, 이는 고려되는 힘의 종류와 범위에 따라 달라집니다.

등가원리

다섯 번째 힘을 찾는 한 가지 방법은 아인슈타인의 중력 이론으로도 알려진 일반 상대성 이론의 가장 강력한 테스트 중 하나인 강한 등가 원리의 테스트입니다. 브랜스-다이크 이론과 같은 대안적인 중력 이론들은 5번째 힘을 가정합니다 - 아마도 무한한 범위를 가진 이론일 것입니다. 일반 상대성 이론이 아닌 다른 이론에서 중력 상호작용은 공간의 곡률을 결정하는 '메트릭' 이외의 자유도를 가지고 있고, 여러 종류의 자유도가 다른 효과를 내기 때문입니다. 예를 들어, 스칼라 필드는 광선의 휘어짐을 생성할 수 없습니다.

다섯 번째 힘은 노르트베트 효과라고 불리는 태양계 궤도에 대한 영향으로 나타날 것입니다. 이는 Lunar Laser Ranging 실험과^[10] 매우 긴 기준선 간섭계로 테스트됩니다.

여분의 치수

우주가 여분의 차원을 가지고 있는 칼루자-클라인 이론 또는 초중력 또는 끈 이론에서 발생하는 또 다른 종류의 다섯 번째 힘은 유카와 힘으로 빛 스칼라장(즉, 긴 콤프턴 파장을 가진 스칼라장)에 의해 전달되어 범위를 결정합니다. 이는 초대칭 큰 여분의 차원(1밀리미터보다 약간 작은 크기의 차원)에 대한 이론이 매우 작은 규모에서 중력을 실험하려는 실험적 노력을 촉발했기 때문에 훨씬 최근의 관심을 불러일으키고 있습니다. 이를 위해서는 다양한 거리에서 중력 역제곱 법칙의 편차를 찾는 매우 민감한 실험이 필요합니다.^[11] 본질적으로, 그들은 유카와 상호작용이 일정한 길이에서 상호작용하고 있다는 신호를 찾고 있습니다.

호주의 연구원들은 광산 갱도 깊은 곳에서 중력 상수를 측정하려고 시도하다가 예측값과 측정값 사이의 불일치를 발견했는데, 측정값이 2% 너무 작았습니다. 그들은 결과가 수 센티미터에서 수 킬로미터 범위의 반발력에 의해 설명될 수 있다고 결론지었습니다. 잠수함 USS 돌핀(AGSS-555)에 탑승하여 깊은 물에 잠긴 상태에서 유사한 실험이 수행되었습니다. 그린란드 빙상의 깊은 구멍에서 중력 상수를 측정한 추가 실험에서 몇 퍼센트의 불일치가 발견되었지만 관찰된 신호에 대한 지질학적 출처를 제거하는 것은 불가능했습니다.^[12][13]

지구의 맨틀

또 다른 실험은 지구의 맨틀을 거대 입자 탐지기로 사용하는데, 지구 전자에 초점을 맞추고 있습니다.^[14]

세페이드 변수

Jain et al.(2012)^[15]은 25개 은하에서 천 개 이상의 세페이드 변광성의 맥동 속도에 대한 기존 데이터를 조사했습니다. 이론에 따르면, 은하계에서 세페이드 맥동 속도는 이웃한 성단에 의해 가상의 다섯 번째 힘으로부터 선별된 것으로, 선별되지 않은 세페이드와는 다른 패턴을 따를 것이라고 합니다. 그들은 아인슈타인의 중력 이론으로부터 어떠한 변화도 발견할 수 없었습니다.

기타 접근방법

어떤 실험들은 호수와 320미터 높이의 탑을 사용했습니다.^[16] 에브라임 피쉬바흐(Ephraim Fischbach)와 캐릭 탈마지(Carrick Talmadge)가 종합적으로 검토한 결과, 과학자들이 여전히 5번째 힘을 찾고 있지만,^[17] 5번째 힘에 대한 확실한 증거는 없다고 합니다. Fischbach–Talmadge 기사는 1992년에 작성되었고, 그 이후로 다섯 번째 힘을 나타낼 수 있는 다른 증거들이 밝혀졌습니다.^[18]

위의 실험들은 중력처럼 물체의 구성과 무관한 다섯 번째 힘을 찾기 때문에 모든 물체는 질량에 비례하여 힘을 경험합니다. 물체의 구성에 의존하는 힘은 로랑 외트뵈스가 발명한 유형의 비틀림 균형 실험에 의해 매우 민감하게 테스트될 수 있습니다. 예를 들어, 이러한 힘은 원자핵의 양성자 대 중성자의 비율,^[19] 핵 스핀 또는 핵의 다양한 종류의 결합 에너지의 상대적인 양에 의존할 수 있습니다(반경험적 질량 공식 참조). 매우 짧은 범위부터 도시 규모, 지구, 태양, 은하 중심의 암흑 물질에 이르기까지 검색이 수행되었습니다.

새로운 입자에 대한 주장

2015년 헝가리 데브레첸에 있는 헝가리 과학 아카데미의 원자력 연구소인 ATOMKI의 아틸라 크라스나호르카이와 그의 동료들은 전자(17 MeV)보다 겨우 34배 무거운 새롭고 가벼운 보손의 존재를 인정했습니다.^[20] 어두운 광자를 찾기 위해 헝가리 팀은 리튬-7의 얇은 표적에 양성자를 발사했고, 이것은 불안정한 베릴륨-8 핵을 만들었고, 그리고 나서 전자와 양전자 쌍을 방출했습니다. 초과⁺ 붕괴는 e와 e⁻ 사이의 140°의 개구 각도와 17 MeV의 결합 에너지에서 관찰되었으며, 이는 베릴륨-8의 작은 부분이 새로운 입자의 형태로 초과 에너지를 방출할 것임을 나타냅니다.

2019년 11월, 크라스나호카이는 ATOMKI의 그의 팀과 함께 베릴륨-8에서 관찰되었던 것과 같은 안정한 헬륨 원자의 붕괴에서 이상 현상을 성공적으로 관찰했다고 발표하여 X17 입자의 존재에 대한 사례를 강화했습니다.^[21]

Feng et al. (2016)^[22]은 중성자와 전자 및 펨토미터 범위에 대해 양성자에 대한 결합이 억제된 질량 16.7 MeV의 프로토포빅(즉, "양성자 무시") X-보손이 데이터를 설명할 수 있다고 제안했습니다.^[23] 세력은 멍-2 이상 현상을 설명하고 암흑 물질 후보를 제공할 수 있습니다. 이러한 결과를 검증하거나 반박하기 위한 여러 연구 실험이 진행 중입니다.^[20][22]

참고 항목

참고문헌