Введение

Спекулятивная пятая фундаментальная сила
В физике существует четыре наблюдаемых фундаментальных взаимодействия (также известных как фундаментальные силы), которые лежат в основе всех известных взаимодействий в природе: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное. Некоторые спекулятивные теории предполагают существование пятой силы для объяснения различных аномальных наблюдений, не согласующихся с существующими теориями. Характеристики этой пятой силы зависят от конкретной выдвигаемой гипотезы. Многие предполагают силу, сопоставимую по величине с гравитацией (то есть значительно слабее электромагнетизма или ядерных сил), с дальностью действия от менее миллиметра до космологических масштабов. Другое предложение – новая слабая сила, переносимая W′ и Z′ бозонами. Поиск пятой силы активизировался в последние десятилетия благодаря двум открытиям в космологии, которые не объясняются современными теориями. Было установлено, что большая часть массы Вселенной приходится на неизвестную форму материи, называемую темной материей. Большинство физиков полагают, что темная материя состоит из еще не открытых субатомных частиц, которые трудно обнаружить, однако некоторые считают, что она может быть связана с неизвестным фундаментальным взаимодействием. Кроме того, недавно было обнаружено, что расширение Вселенной ускоряется, что связывают с формой энергии, называемой темной энергией. Некоторые физики предполагают, что одна из форм темной энергии, называемая квинтэссенцией, может являться пятой силой.

Теория

Теоретические предложения, относящиеся к пятой силе, обусловлены двумя противоречиями между современными моделями общей теории относительности и квантовой теории поля: проблемой иерархии и проблемой космологической постоянной. Обе эти проблемы указывают на возможность коррекций гравитационного потенциала вблизи и при использовании очень длиннобазисной интерферометрии.

Дополнительные размеры

Другой тип пятой силы, возникающий в теории Калуза — Клейна, где Вселенная имеет дополнительные измерения, или в супергравитации или теории струн, — это сила Юкавы, переносимая легким скалярным полем (то есть скалярным полем с большой длиной волны Комптона, определяющей дальность действия). Это вызвало значительный недавний интерес, поскольку теория суперсимметричных больших дополнительных измерений с размером, немного меньшим, чем a, стимулировала экспериментальные усилия по проверке гравитации на очень малых масштабах. Это требует исключительно чувствительных экспериментов, направленных на поиск отклонений от закона обратных квадратов гравитации на различных расстояниях. По сути, они ищут признаки проявления взаимодействия Юкавы на определенной длине. Австралийские исследователи, стремясь измерить гравитационную постоянную глубоко в шахте, обнаружили расхождение между предсказанным и измеренным значениями, причем измеренное значение оказалось на два процента меньше. Они предположили, что результаты могут быть объяснены отталкивающей пятой силой с дальностью действия от нескольких сантиметров до километра. Аналогичные эксперименты были проведены на борту подводной лодки USS Dolphin (AGSS 555) в глубоководных условиях. Дополнительный эксперимент по измерению гравитационной постоянной в глубокой скважине в гренландском ледниковом щите выявил расхождения в несколько процентов, однако исключить геологический источник наблюдаемого сигнала не удалось.

Земная мантия

В другом эксперименте мантия Земли используется как гигантский детектор частиц, фокусирующийся на геоэлектронах.

Переменные цефеиды

Джейн и др. (2012) проанализировали имеющиеся данные о скорости пульсации более тысячи цефеид в 25 галактиках. Теория предсказывает, что скорость пульсации цефеид в галактиках, экранированных от гипотетической пятой силы соседними скоплениями, будет отличаться от скорости пульсации цефеид, не подверженных экранированию. Однако, они не обнаружили никаких отклонений от теории гравитации Эйнштейна.

Другие подходы

Некоторые эксперименты использовали озеро и башню высотой 320 метров. Всесторонний обзор, проведенный Эфраимом Фишбахом и Кэрриком Талмаджем, показал, что убедительных доказательств существования пятой силы нет, хотя ученые продолжают ее искать. Статья Фишбаха и Талмаджа была опубликована в 1992 году, но с тех пор появились новые данные, которые могут свидетельствовать о существовании пятой силы. Описанные выше эксперименты направлены на поиск пятой силы, которая, подобно гравитации, не зависит от состава объекта, поэтому все объекты испытывают ее пропорционально своей массе. Силы, зависящие от состава объекта, можно очень точно проверить с помощью экспериментов с торсионными весами, разработанными Лорэндом Эотвошем. Такие силы могут зависеть, например, от соотношения протонов и нейтронов в атомном ядре, ядерного спина или относительного количества различных видов энергии связи в ядре (см. полуэмпирическую формулу массы). Поиски проводились на очень малых расстояниях, в масштабах города, на масштабах Земли, Солнца и темной материи в центре галактики.

Утверждения о новых частицах

В 2015 году Аттила Краснахоркай из Института ядерных исследований Венгерской академии наук в Дебрецене, Венгрия, и его коллеги предположили существование нового легкого бозона, масса которого всего в 34 раза превышает массу электрона (17 МэВ). В рамках поиска темного фотона венгерская команда обстреливала протонами тонкие мишени из лития-7, что приводило к образованию нестабильных ядер бериллия-8, которые затем распадались с выбросом пар электронов и позитронов. Наблюдался избыток распадов при угле 140° между электроном и позитроном и общей энергии 17 МэВ, что указывало на то, что небольшая часть ядер бериллия-8 избавлялась от избыточной энергии в форме новой частицы. В ноябре 2019 года Краснахоркай объявил, что он и его команда из ATOMKI успешно зафиксировали те же аномалии в распаде стабильных атомов гелия, что и в бериллии-8, что усилило аргументы в пользу существования частицы X17. Фэн и др. (2016) Эта сила может объяснить аномалию мюона и предложить кандидата на роль темной материи. В настоящее время проводится ряд исследовательских экспериментов, направленных на подтверждение или опровержение этих результатов.