Кіріспе

Физикада табиғаттағы барлық белгілі өзара әрекеттесулердің негізін құрайтын төрт фундаменталды өзара әрекеттесу (олар фундаменталды күштер деп те аталады) бар: гравитациялық, электромагниттік, күшті ядролық және әлсіз ядролық күштер. Кейбір болжамдық теориялар қазіргі теорияларға сәйкес келмейтін әртүрлі аномальды байқауларды түсіндіру үшін бесінші күштің бар екенін ұсынады. Осы бесінші күштің сипаттамалары алға қойылған гипотезаға байланысты. Көптеген теориялар оның күші гравитация күшіне шамамен тең (яғни, ол электромагнетизмнен немесе ядролық күштерден әлдеқайда әлсіз) және бір миллиметрден кемден космологиялық масштабтарға дейін жете алады деп болжайды. Тағы бір ұсыныс – W′ және Z′ бозондары арқылы таралатын жаңа әлсіз күш. Бесінші күшті іздеу соңғы онжылдықта космологиядағы екі жаңалықтан кейін күшейді, олардың екеуі де қазіргі теориялармен түсіндірілмейді. Біріншіден, ғаламның көп бөлігін қара материя деп аталатын белгісіз материя құрайтыны анықталды. Көптеген физиктер қара материяның анықталуы қиын, әлі ашылмаған субатомдық бөлшектерден тұрады деп санайды, бірақ кейбіреулері оның белгісіз фундаменталды күшпен байланысты болуы мүмкін деп есептейді. Екіншіден, ғаламның кеңеюі үдеп бара жатыны да жақында анықталды, бұл қара энергия деп аталатын энергияның бір түріне байланысты деп саналады. Кейбір физиктер квинтессенция деп аталатын қара энергияның түрі бесінші күш болуы мүмкін деп болжайды.

Теория

Бесінші күш санатындағы теориялық ұсыныстар жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық өріс теориясының қазіргі модельдері арасындағы екі қайшылық – иерархиялық проблема және космологиялық тұрақты проблема – тудырған. Екі мәселе де гравитациялық потенциалға түземелер енгізу мүмкіндігін және өте ұзақ базалық интерферометрияны көрсетеді.

Қосымша өлшемдер

Бесінші күштің тағы бір түрі, Калуза-Клейн теориясында ғаламның қосымша өлшемдері болғанда, немесе супергравитацияда немесе іс тізбектік теорияда пайда болады – бұл Юкава күші, ол жеңіл скалярлық өріспен (яғни ұзақ Комптон толқын ұзындығы бар скалярлық өріс, ол ауқымын анықтайды) беріледі. Бұл жақында үлкен қызығушылықты тудырды, себебі a-дан сәл кіші өлшемді суперсимметриялық үлкен қосымша өлшемдер теориясы, өте кішкентай масштабта гравитацияны сынауға бағытталған тәжірибелік жұмыстарға түрткіс берді. Мұндай зерттеулер үшін өте жоғары сезімтал эксперименттер қажет, олар тартылыс күшінің кері квадрат заңынан ауытқуды қашықтықтардың әртүрлі диапазонында іздейді. Негізінен, олар Юкава өзара әрекетінің белгілі бір ұзындықта күшті екенін анықтауға тырысады. Австралиялық зерттеушілер, тау-кен шахтасының тереңдігінде гравитациялық тұрақтыны өлшеуге тырысқанда, күтілген және өлшенген мәндердің арасында айырмашылықты байқады, өлшенген мән екі пайызға төмен болды. Олар бұл нәтижелерді бірнеше сантиметрден бір километрге дейінгі аралықта әсер ететін, қайтартарлық бесінші күшпен түсіндіруге болады деген қорытындыға келді. Ұқсас эксперименттер USS Dolphin (AGSS 555) су асты кемесінде, терең су астында жүргізілді. Гренландия мұз қабатының терең бұрғылау орнында гравитациялық тұрақтыны өлшеуге жасалған тағы бір тәжірибеде бірнеше пайыздық айырмашылықтар анықталды, бірақ байқалған сигналдың геологиялық себебін жою мүмкін болмады.

Жердің мантиясы

Тағы бір эксперимент Жердің мантиясын алып бөлшектерді анықтағыш ретінде пайдаланады, геоэлектронға баса назар аудара отырып.

Кефеидтік айнымалылар

Жейн және басқалар. (2012) 25 галактикадағы мыңнан астам цефеидті өзгермелі жұлдыздардың пульсация жиілігі туралы қолда бар деректерді зерттеді. Теорияға сәйкес, көршілес шоғырлармен қоршалған және гипотетикалық бесінші күштен қорғалған галактикалардағы цефеидтердің пульсация жиілігі, қоршалмаған цефеидтерден өзгеше болуы керек. Бірақ олар Эйнштейннің гравитация теориясынан ешқандай ауытқуды анықтамады.

Басқа тәсілдер

Кейбір эксперименттерде көл және 320 метр биіктіктегі мұнара пайдаланылды. Эфраим Фишбах пен Кэррик Талмадждың толыққанды шолуы бесінші күштің нақты дәлелдері жоқ екенін көрсетті, бірақ ғалымдар оны іздеуді жалғастыруда. Фишбах-Талмадж мақаласы 1992 жылы жарық көрді, содан бері бесінші күштің болуын көрсететін басқа да деректер пайда болды. Жоғарыда аталған эксперименттер, гравитация сияқты, объектінің құрамына тәуелсіз бесінші күшті табуға бағытталған, сондықтан барлық объектілер осы күшті өзінің массасына пропорционалды түрде сезінеді. Объектінің құрамына байланысты күштерді Лорánd Эöтвös ойлап тапқан торсиондық тепе-теңдік эксперименттері арқылы өте жоғары дәлдікпен тексеруге болады. Мұндай күштер, мысалы, атом ядросындағы протон-нейтрон қатынасына, ядролық спинге немесе ядродағы әртүрлі байланыс энергиясы түрлерінің салыстырмалы мөлшеріне байланысты болуы мүмкін (жартылай эмпирикалық масса формуласына қараңыз). Іздеулер өте кішкентай қашықтықтардан бастап, қалалық масштабтарға дейін, содан кейін Жер, Күн және галактика ортасындағы қара материя масштабына дейін жүргізілді.

Жаңа бөлшектердің талаптары

2015 жылы АТОМКИ-дегі Атилла Краснахоркай, Венгрия ғылым академиясының Дебрецендегі Ядролық зерттеулер институты және оның әріптестері электроннан 34 есе ауыр (17 МэВ) жаңа, жеңіл бозонның бар екенін айтты. Қара фотонды табу мақсатында венгрлік команда литий-7-нің жұқа нысаналарына протон атып, тұрақсыз бериллий-8 ядроларын жасады, олар ыдырап, электрон және позитрон жұптарын шығарды. Е және е арасындағы 140° бұрышта артық ыдыраулар байқалды, ал олардың жалпы энергиясы 17 МэВ-қа тең болды, бұл бериллий-8-дің бір бөлігі артық энергияны жаңа бөлшек түрінде шығаратынын көрсетті. 2019 жылдың қараша айында Краснахоркай ATOMKI командасымен бірге тұрақты гелий атомдарының ыдырауында бериллий-8-де байқалған сол аномалияларды сәтті анықтағанын хабарлады, бұл X17 бөлшегінің бар екенін күшейтті. Фенг және авторлар (2016) Бұл күш мюонның аномалиясын түсіндіріп, қара материяның кандидаты болуы мүмкін. Осы нәтижелерді растау немесе жоққа шығару үшін бірнеше зерттеу эксперименттері жүргізілуде.