כוח יסודי חמישי

בפיזיקה, קיימים ארבעה כוחות יסוד המהווים את הבסיס לכל האינטראקציות הידועות בטבע: כבידה, אלקטרומגנטיות, הכח גרעיני חזק, והכח הגרעיני החלש. כמה תאוריות ספקולטיביות הציעו כוח חמישי שיסביר תצפיות חריגות שאינן מתאימות לתאוריות הקיימות. בחלק מהנחות, עצמת הכח דומה לזו של הגרוויטציה (חלשה הרבה יותר מזו של האלקטרומגנטיות או הכוחות הגרעיניים). הצעה נוספת היא כוח חלש חדש המתווך על ידי בוזוני W ו־Z. החיפוש אחר כוח חמישי גבר בעשורים האחרונים בשל שתי תגליות בקוסמולוגיה שאינן תואמות לתאוריות הנוכחיות. מסתבר כי מרבית מסת היקום מצויה בצורה לא ידועה של חומר המכונה חומר אפל. מרבית הפיזיקאים מאמינים שחומר אפל הוא חלקיק תת-אטומי חדש שטרם נתגלה, אך יש הסוברים כי הדבר עשוי להיות קשור לכוח יסודי לא ידוע. שנית, לאחרונה התגלה כי התפשטות היקום מואצת, תופעה המיוחסת לצורת אנרגיה הנקראת אנרגיה אפלה. יש פיזיקאים המשערים כי צורה של אנרגיה אפלה המכונה quintessence (אנ') יכולה להיות כוח חמישי. קיומו של כוח בסיסי חדש עשוי להיות קשה לאישוש נסיוני. כוח הכבידה, למשל, הוא כוח כה חלש עד שאינטראקציית הכבידה בין שני עצמים היא משמעותית רק כאשר לאחד מהם יש מסה גדולה. לכן, נדרש ציוד רגיש מאוד למדידת אינטראקציות כבידה בין עצמים קטנים בהשוואה לכדור הארץ. כוח בסיסי חדש (או "חמישי") עשוי להיות דומה בעוצמתו - חלש מאוד - ולכן קשה לזיהוי. עם זאת, בשנות השמונים המאוחרות דיווחו חוקרים (Fischbach et al) על ראיות לקיום כוח חמישי שפועל בטווח של כמאה מטר , זאת על ידי ניתוח מחדש של תוצאות שדווחו על ידי Loránd Eötvös. על פי ההערכה, הכוח קשור להיפרמטען. במשך מספר שנים ניסויים אחרים נכשלו בשחזור תוצאה זו. ישנם מספר סוגים של מחקרים הניתנים לביצוע, בהתאם לסוג הכוח המונח ובטווחיו. דרך אחת לחיפוש כוח חמישי היא באמצעות בדיקות של עקרון השקילות החזק: זהו אחד המבחנים החזקים ביותר בתורת הכובד של איינשטיין: תורת היחסות הכללית. תאוריות כוח משיכה חלופיות, כמו תאוריית Brans – Dicke (אנ'), מניחות קיום כוח חמישי, שטווחו אולי אינסופי. הסיבה לכך היא שלאינטראקציות כבידתיות, בתאוריות שאינן תורת היחסות הכללית, יש דרגות חופש מעבר לאלו ה"מטריות " (במובן של "טנזור מטרי" (אנ')), ואלו מכתיבות את עקמומיות החלל, וסוגים שונים של דרגות חופש מייצרים אפקטים שונים. לדוגמה, שדה סקלרי לא יכול לייצר כיפוף של קרני אור. הכוח החמישי יתבטא בהשפעה על מסלולי מערכת השמש, תופעה המכונה אפקט נורדווטט (אנ'). סוג נוסף של כוח חמישי, המופיע בתאוריית קלוזה-קליין, החוזה ממדים נוספים ליקום, ובתורות כבידת העל (אנ') והמיתרים הוא כוח יוקאווה (אנ'), המועבר על ידי שדה סקלרי קל (כלומר שדה סקלרי עם אורך גל קומפטון ארוך, שקובע את טווח הכוח). כוח זה עורר עניין רב לאחרונה, שכן תאוריה של ממדים גדולים במיוחד על-סימטריים — מידות בגודל מעט פחות ממילימטר — עודדה מאמץ ניסיוני לבחינת כוח הכבידה בקני מידה קטנים אלו. מדידות אלו דורשות ניסויים רגישים ביותר המחפשים סטייה מחוק הכבידה ההפוך על פני טווח של מרחקים שונים. בעיקרו של דבר, נעשה ניסיון למצוא סימנים לכך שאינטראקציית יוקאווה פעילה באורך מסוים. חוקרים אוסטרלים, שניסו למדוד את קבוע הכבידה בעומק פיר מכרות, גילו אי התאמה בין הערך החזוי והמדוד, כאשר הערך המדוד קטן בכשני אחוזים. החוקרים הגיעו למסקנה שהתוצאות עשויות להיות מוסברות על ידי כוח חמישי היוצר דחייה, בעל טווח של כמה סנטימטרים לקילומטר. ניסויים דומים בוצעו על סיפונה של צוללת בעת שהותה במעמקי הים. ניסוי נוסף מדד את קבוע הכבידה בתוך בור קידוח עמוק ביריעת הקרח של גרינלנד. הניסוי מצא פערים של אחוזים בודדים, אך לא ניתן היה לשלול מקור גאולוגי לאות שנצפה. ניסוי אחר משתמש במעטפת כדור הארץ כגלאי חלקיקים ענק, תוך התמקדות באלקטרונים במעמקי האדמה והשפעתם על השדה המגנטי של כדור הארץ . ערך מורחב – משתנה קפאידי בשנת 2012, בובנשיין ג'יין ואחרים בדקו נתונים קיימים על קצב פעימת כוכבים מסוג משתנים קפאידיים, ב 25 גלקסיות הכוללות למעלה מאלף כוכבים בסך הכל. התאוריה מציעה כי דפוס קצב הפעימה בגלקסיות שהושפעו מכוח חמישי היפותטי יהיה שונה מזה שבצברים שלא הושפעו ממנו. לא נמצאה חריגה מתורת הכובד של איינשטיין. הניסויים לעיל מחפשים כוח חמישי שהוא, כמו כוח משיכה, בלתי תלוי בהרכב של חפץ, אלא רק במסתו. ניתן לבחון רגישות רבה בכוחות התלויים בהרכב של עצם (ולא רק במסתו) על ידי ניסויים באיזון פיתול שהומצאו על ידי Loránd Eötvös . כוחות כאלה עשויים להיות תלויים, למשל, ביחס של פרוטונים לנייטרונים בגרעין אטומי, ספין גרעיני, או בכמות היחסית של סוגים שונים של אנרגיה קשירה בגרעין (ראו נוסחת המסה האמפירית). ניסויים כאלו בוצעו במגוון טווחים - מקצרים מאוד, דרך קני מידה של מאות מטרים, קני מידה של היקף כדור הארץ, השמש ובממדים של הגלקסיה. מספר חוקרים סבורים שתאוריית הכובד של איינשטיין תצטרך להשתנות, במרחקים גדולים או בתאוצות קטנות. הדבר ישנה את כוח הכובד לכוח לא מקומי. על פי גישה זו, היות שחומר אפל ואנרגיה אפלה אינם מוסברים על ידי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים ייתכן ויש צורך בשינויים מסוימים בכוח הכובד, הנובעים אולי מהדינמיקה הניוטונית המתוקנת או מהעיקרון ההולוגרפי (אנ'). רעיון זה שונה באופן מהותי מרעיונות קונבנציונליים של כוח חמישי, מכיוון שהכוח המוצע מתחזק ביחס לכוח המשיכה במרחקים ארוכים יותר. רוב הפיזיקאים, עם זאת, סבורים שחומר אפל ואנרגיה אפלה אינם השערת אד הוק, אלא נתמכים על ידי מספר גדול של תצפיות משלימות ומתוארים על ידי מודל פשוט. בשנת 2015, אטילה קרשננורקיי מהמכון למחקר גרעיני באקדמיה ההונגרית למדעים בדברצן, הונגריה, ועמיתיו, הציגו את קיומו של בוזון חדש וקל (17 MeV) כבד רק פי 34 מהאלקטרון. במאמץ למצוא פוטון אפל (אנ'), האיץ הצוות ההונגרי פרוטונים לעבר מטרות דקות של ליתיום -7, שיצרו גרעינים של בריליום -8 לא יציבים. אלו התפרקו ופלטו זוגות אלקטרונים ופוזיטרון. דעיכה עודפת נצפתה בזווית פתיחה של 140 מעלות בין ה- e + ל- e - ואנרגיה משולבת של 17 MeV, שהצביעה על כך ששבריר קטן של בריליום -8 ישיל עודף אנרגיה בצורת חלקיק חדש. Wetterich, C. "Quintessence --a fifth force from variation of the fundamental scale" (PDF). Heidelberg University. http://cds.cern.ch/record/515241/files/0108217.pdf Cicoli, Michele; Pedro, Francisco G.; Tasinato, Gianmassimo (2012). "Natural Quintessence in String Theory". Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. 2012 (7): 044. arXiv:1203.6655. doi:10.1088/1475-7516/2012/07/044. Fischbach, Ephraim; Sudarsky, Daniel; Szafer, Aaron; Talmadge, Carrick; Aronson, S. H. (6 בינואר 1986). "Reanalysis of the Eötvös experiment". Physical Review Letters. 56 (1): 3–6. Bibcode:1986PhRvL..56....3F. doi:10.1103/PhysRevLett.56.3. PMID 10032514. {{cite journal}}: (עזרה) University of Washington Eöt-Wash group, the leading group searching for a fifth force. Satellite Energy Exchange (SEE) "Archived copy". אורכב מ-המקור ב-2005-05-07. נבדק ב-2005-05-07. {{cite web}}: (עזרה), which is set to test for a fifth force in space, where it is possible to achieve greater sensitivity. Ander, Mark E.; et al. (27 בפברואר 1989). "Test of Newton's inverse-square law in the Greenland ice cap". Physical Review Letters. 62 (9): 985–988. Bibcode:1989PhRvL..62..985A. doi:10.1103/PhysRevLett.62.985. PMID 10040395. {{cite journal}}: (עזרה) Zumberge, Mark A.; et al. (1990). "The Greenland Gravitational Constant Experiment". Journal of Geophysical Research (Submitted manuscript). 95 (B10): 15483. Bibcode:1990JGR....9515483Z. doi:10.1029/JB095iB10p15483. Aron, Jacob. (2013) Earth's mantle helps hunt for fifth force of nature Cicoli, Michele; Pedro, Francisco G.; Tasinato, Gianmassimo (2012). "Astrophysical Tests of Modified Gravity: Constraints from Distance Indicators in the Nearby Universe". The Astrophysical Journal. 779: 39. arXiv:1204.6044. doi:10.1088/0004-637X/779/1/39. Jain, Bhuvnesh; Vikram, Vinu; Sakstein, Jeremy (2013). "Astrophysical Tests of Modified Gravity: Constraints from Distance Indicators in the Nearby Universe". The Astrophysical Journal. 779 (1): 39. arXiv:1204.6044. Bibcode:2013ApJ...779...39J. doi:10.1088/0004-637X/779/1/39. Hall, A. M.; Armbruster, H.; Fischbach, E.; Talmadge, C. (1991). "Is the Eötvös experiment sensitive to spin?". In W.-Y. Pauchy Hwang; et al. (eds.). Progress in High Energy Physics. New York: Elsevier. pp. 325–339. S. Dodelson; S. Park (2014). "Nonlocal Gravity and Structure in the Universe". Physical Review D. 90 (4): 043535. arXiv:1310.4329. Bibcode:2014PhRvD..90d3535D. doi:10.1103/PhysRevD.90.043535. Jaccard,Maggiore,mitsou (2013). "A non-local theory of massive gravity". Physical Review D. 88 (4): 044033. arXiv:1305.3034. Bibcode:2013PhRvD..88d4033J. doi:10.1103/PhysRevD.88.044033.{{cite journal}}: תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) Cartlidge, Edwin (2016). "Has a Hungarian physics lab found a fifth force of nature?". Nature. doi:10.1038/nature.2016.19957.