Tři fyzikové, kteří spolupracovali v San Francisco Bay Area v uplynulém roce vymysleli nové řešení tajemství, které má sužované svém oboru již více než 30 let. Tento hluboký puzzle, který má řízené experimenty na stále silnější urychlovači částic a vyvolalo kontroverzní multivesmíru hypotézy, činí něco jasné čtvrtý-srovnávač by se mohl zeptat: Jak se může magnet zvedněte kancelářskou sponku proti gravitaci celé planety?
Navzdory jeho vliv na pohyb hvězd a galaxií, gravitační síla je stovky miliony, triliony trilionů krát slabší než magnetismus a jiné mikroskopické síly přírody. Tento rozdíl se ukáže ve fyzice, rovnice, neboť podobně absurdní rozdíl mezi hmotností Higgsova bosonu, částice byla objevena v roce 2012, která ovládá masy a síly spojené s další známé částice, a očekává, že hmotnost škálu dosud neobjevených gravitační stavy hmoty.
V nepřítomnosti důkazů z Evropy je Velký Hadronový Urychlovač (LHC) podpora žádné z teorií dříve navrhované vysvětlit tento absurdní hmoty hierarchie — včetně svůdně elegantní „supersymetrie“ — mnoho fyziků mít pochybnosti o samotné logice přírodních zákonů. Stále častěji, obávají se, že náš vesmír může být jen náhodná, spíše bizarní permutace mezi nespočet dalších možných vesmírů — efektivní slepé uličky ve snaze o koherentní teorii přírody.
Tento měsíc LHC zahájil svůj dychtivě očekávaný druhý běh téměř dvojnásobkem své předchozí provozní energie a pokračoval ve snaze o nové částice nebo jevy, které by vyřešily problém hierarchie. Ale velmi reálná možnost, že za rohem neleží žádné nové částice, nechala teoretické fyziky čelit jejich “ scénáři noční můry.“Také je to přimělo přemýšlet.
„ve chvílích krize se vyvíjejí nové myšlenky,“ řekl Gian Giudice, teoretický fyzik částic v laboratoři CERN poblíž Ženevy, kde sídlí LHC.
nový návrh nabízí možnou cestu vpřed. Trojice je „nadšená“, řekl David Kaplan, 46, teoretický fyzik částic z Johns Hopkins University v Baltimoru, Md., který vyvinul model při Západním Pobřeží dovolenou s Peter Graham, 35, Stanford University a Surjeet Rajendran, 32, University of California, Berkeley.
Jejich řešení sleduje hierarchie mezi gravitací a ostatních základních sil zpět do výbušného zrodu vesmíru, když jejich model naznačuje,, dvou proměnných, které se vyvíjejí v tandemu najednou na mrtvém bodě. V tu chvíli hypotetická částice zvaná „axion“ uzamkla Higgsův boson do své dnešní hmoty, hluboko pod stupnicí gravitace. Axion se objevuje v teoretických rovnicích od roku 1977 a je považován za pravděpodobný. Dosud nikdo, až dosud, všiml si, že axiony by mohly být tím, co trio nazývá „relaxiony“, “ řešení problému hierarchie „uvolněním“ hodnoty Higgsovy hmoty.
„je To velmi, velmi chytrý nápad,“ řekl Raman Sundrum, teoretické částicové fyziky na University of Maryland v College Parku, který nebyl zapojen v rozvoji. „Možná nějaká verze toho je způsob, jakým svět funguje.“
V týdnech od tria papír se objevil on-line, se otevřela „nové hřiště“ naplněn vědci touží, aby přehodnotila své nedostatky a přijmout jeho základní předpoklad v různých směrech, řekl Nathaniel Craig, teoretický fyzik na University of California, Santa Barbara.
“ zdá se to jako docela jednoduchá možnost, “ řekl Rajendran. „Nestojíme na hlavách, abychom tady udělali něco šíleného.“ Chce to jen fungovat.“
jak však poznamenalo několik odborníků, ve své současné podobě má myšlenka nedostatky, které bude třeba pečlivě zvážit. A i kdyby tuto kontrolu přežila, může trvat více než deset let, než se experimentálně otestuje. Podle odborníků zatím relaxion otřásá dlouhodobými názory a povzbuzuje některé fyziky, aby viděli problém hierarchie v novém světle. Lekce, řekl Michael Dine, fyzik na Kalifornské univerzitě v Santa Cruz a veterán problému hierarchie, je “ nevzdávat se a předpokládat ,že na to nebudeme schopni přijít.“
Nepřirozené Rovnováhy
Pro všechny veselí okolní 2012 objev Higgsova bosonu, který dokončil Standardní Model částicové fyziky a získali Peter Higgs a François Englert v roce 2013 Nobelovu Cenu za Fyziku, to přišlo jako trochu překvapení; částice je existence a naměřená hmotnost 125 gigaelektronvoltů (GeV) souhlasil s roky nepřímé důkazy. To, co se na LHC nenašlo, nechalo odborníky zmatené. Nic se neukázalo, že by mohly smířit hmotnost Higgsova bosonu s předpokládanou masovém měřítku spojena s gravitací, která leží mimo experimentální dosáhnout na 10,000,000,000,000,000,000 GeV.
„problém je v tom, že v kvantové mechanice všechno ovlivňuje všechno ostatní,“ vysvětlil Giudice. Supertěžké gravitační stavy by se měly kvantově mechanicky mísit s Higgsovým bosonem, což přispívá k hodnotě jeho hmotnosti obrovskými faktory. Přesto nějak, Higgsův boson skončí lehký. Je to, jako kdyby všechny ty olbřímí faktory, které ovlivňují jeho hmotnost — některé pozitivní, jiné negativní, ale všechny desítky číslic — jako mávnutím kouzelného proutku zrušil, takže mimořádně malé hodnoty za sebou. Nepravděpodobně vyladěné zrušení těchto faktorů se zdá „podezřelé“, řekl Giudice. „Myslíte si, že za tím musí být něco jiného.“
Odborníci často srovnávají jemně vyladěné hmotnost Higgsova bosonu na tužku stojící na jeho vedení tip, šťouchl tímto způsobem, a že mocnými silami, jako je proudění vzduchu a tabulka vibrace, které nějak zasáhla dokonalé vyvážení. „Není to stav nemožnosti, je to stav extrémně malé pravděpodobnosti,“ řekl Savas Dimopoulos ze Stanfordu. Pokud jste narazili na takovou tužku, řekl, “ nejprve byste pohnuli rukou nad tužkou, abyste zjistili, zda ji ze stropu drží nějaký řetězec.“. podívali byste se na špičku, abyste zjistili, zda existuje žvýkačka.“
Fyzikové se podobně snažil přirozené vysvětlení pro problém s hierarchií od roku 1970, věří, že hledání by je mohlo vést k více kompletní teorie přírody, možná i soustružení částice za „temné hmoty,“ neviditelná látka, která prostupuje galaxií. „Přirozenost byla opravdu leitmotivem tohoto výzkumu,“ řekl Giudice.
od 80. let je nejoblíbenějším návrhem supersymetrie. Řeší problém hierarchie postulováním dosud objeveného dvojčete pro každou elementární částici: pro elektron, hypotetický „selectron“, pro každý kvark, „kvark“ a tak dále. Dvojčata přispět opačného hlediska hmotnosti Higgsova bosonu, které je činí imunní vůči účinkům super-těžké gravitace částice (protože jsou zrušeny účinky jejich dvojčata).
ale během prvního běhu LHC v letech 2010 až 2013 se neobjevily žádné důkazy o supersymetrii ani o konkurenčních nápadech — například „technicolor“ a „warped extra dimensions“. Když urychlovač vypnout pro upgrade na začátku roku 2013, aniž by našel jeden „sparticle“ nebo jakákoli jiná známka z fyziky za hranicemi Standardního Modelu, mnozí odborníci cítili, že již nemohl vyhnout se uvažuje o ostrém alternativu. Co když Higgsova hmota, a tím i přírodní zákony, jsou nepřirozené? Výpočty ukazují, že pokud by hmotnost Higgsova bosonu bylo jen pár krát těžší a všechno ostatní zůstalo stejné, protony mohl už ne montáž na atomy, a tam by byl žádné složité struktury — žádné hvězdy nebo živé bytosti. Takže, co kdyby náš vesmír opravdu je jako náhodou vyladěny tak, jako tužka vyvážený na špičce, vybral jako náš vesmírný adresu z nepředstavitelně obrovské bubliny vesmírů uvnitř věčně pěnění „multiverse“ moře jednoduše proto, že život vyžaduje takové nehorázné nehoda existovat?
tato multiverse hypotéza, která se objevila nad diskusemi o problému hierarchie od konce 1990, je považována za bezútěšnou vyhlídku většiny fyziků. „Jen nevím, co s tím,“ řekl Craig. „Nevíme, jaká jsou pravidla.“Další bubliny multivesmíru, pokud existují, leží za hranicemi světelné komunikace a navždy omezují teorie o multivesmíru na to, co můžeme pozorovat z naší osamělé bubliny. Bez způsobu, jak zjistit, kde náš datový bod leží na obrovském spektru možností v multivesmíru, je obtížné nebo nemožné postavit argumenty založené na multivesmíru o tom, proč je náš vesmír takový, jaký je. „Nevím, v jakém okamžiku bychom byli přesvědčeni,“ řekl Večeřa. „Jak byste to vyřešili? Jak to můžeš vědět?“
Higgsův a Relaxion
Kaplan navštívil Bay Area loni v létě spolupracovat s Grahamem a Rajendran, koho on věděl to, protože všichni tři pracovali v různých dobách pod Dimopoulos, který byl jedním z klíčových vývojářů supersymetrie. Za poslední rok trojice rozdělit svůj čas mezi Berkeley a Stanford — a různé kavárny, oběd skvrny a cukráren, které hraničí obou areálech — výměna „embryonální bitů nápad,“ Graham řekl, a postupně se rozvíjí nový příběh původu pro zákony fyziky částic.
Inspirován 1984 pokus Larry Abbott na adresu jinou přirozenost problém ve fyzice, usilovali o to, aby přepracované znění hmotnost Higgsova bosonu, jak se vyvíjí parametr, který by mohl dynamicky „relaxovat“ do své malé hodnoty při zrodu vesmíru, spíše než začíná jako pevné, zdánlivě nepravděpodobné konstantní. „I když to trvalo šest měsíců, slepých uliček a opravdu hloupé modely a velmi barokní, složité věci, nakonec jsme přistání na tomto velmi jednoduchý obrázek,“ řekl Kaplan.
v jejich modelu závisí Higgsova hmotnost na číselné hodnotě hypotetického pole, které prostupuje prostorem a časem: axionové pole. Abychom si to představili, „myslíme si, že celý prostor je tento 3D matrace,“ řekl Dimopoulos. Hodnota v každém bodě pole odpovídá tomu, jak jsou stlačeny pružiny matrace. Již dlouho se uznává, že existence této matrace – a její vibrace ve formě axionů-by mohla vyřešit dvě hluboká tajemství: První, axion pole by vysvětlovalo, proč většina interakcí mezi protony a neutrony, běh dopředu a dozadu, řešení, co je známé jako „silný CP“ problém. A axiony by mohly tvořit temnou hmotu. Řešení problému hierarchie by bylo třetím působivým úspěchem.
příběh nového modelu začíná, když byl vesmír energetickou tečkou. Matrace axion byla extrémně stlačená, což způsobilo, že Higgsova hmota byla obrovská. Jak se vesmír rozpínal, prameny se uvolňovaly, jako by se jejich energie šířila prameny nově vytvořeného prostoru. Jak se energie rozptýlila, tak i Higgsova hmota. Když hmota klesla na své současné hodnoty, to způsobilo související proměnné vrhnout kolem nuly, přepínání na Higgsova pole, molasseslike jednotka, která dává hmotnost částice, které se pohybují přes to, jako jsou elektrony a kvarky. Masivní kvarky zase ve styku s axion pole, vytváří hřebeny v metaforické hill, že jeho energie byla valily. Pole axionu se zaseklo. A stejně tak Higgsova hmotnost.
V tom, co Sundrum nazývá radikální rozchod z posledních modelů, nový ukazuje, jak je moderní-denní hmoty hierarchie by byly formovány zrodu vesmíru. „Skutečnost, že k tomu dali rovnice v realistickém smyslu, je opravdu pozoruhodná,“ řekl.
Dimopoulos poznamenal pozoruhodný Minimalismus modelu, který využívá většinou předem zavedené nápady. „Lidé jako já, kteří investovali docela dost do těchto dalších přístupů k problému hierarchie, byli velmi šťastně překvapeni, že se nemusíte dívat příliš daleko,“ řekl. „Na dvorku standardního modelu bylo řešení. Trvalo velmi chytrým mladým lidem, než si to uvědomili.
„to zvyšuje cenu akcií axionu,“ dodal. Nedávno eXperiment Axion Dark Matter na Washingtonské univerzitě v Seattlu začal hledat vzácné přeměny axionů temné hmoty na světlo uvnitř silných magnetických polí. Nyní Dimopoulos řekl: „Měli bychom hledat ještě těžší, abychom to našli.“.“
nicméně, stejně jako mnoho odborníků, Nima Arkani-Hamed z Institutu pro pokročilé studium v Princetonu, NJ, poznamenal, že je brzy na tento návrh. „Je to určitě chytré,“ řekl, jeho současná implementace je přitažená za vlasy. Například v pořadí pro axion pole, aby se dostali přilepená na hřebeny vytvořené kvarky, spíše než kolejových kolem nich, kosmická inflace, musí mít postupovala mnohem pomaleji než většina kosmologů předpokládali. „Přidáte 10 miliard let inflace,“ řekl. „Musíte se divit, proč se celá kosmologie zorganizuje jen proto, aby se to stalo.“
a i kdyby byl axion objeven, to samo o sobě by neprokázalo, že se jedná o „relaxion“ — že uvolňuje hodnotu Higgsovy hmotnosti. Jak Kaplanův pobyt v Bay Area končí, on, Graham a Rajendran začínají rozvíjet nápady, jak otestovat tento aspekt svého modelu. Nakonec by mohlo být možné oscilovat axionové pole, například, zjistit, zda to ovlivňuje hmotnosti blízkých elementárních částic, prostřednictvím Higgsovy hmoty. „Viděli byste, jak se elektronová hmota kroutí,“ řekl Graham.
tyto testy návrhu se nebudou konat po mnoho let. (Model nepředpovídá žádné nové jevy, které by LHC detekoval.) A realisticky, několik odborníků uvedlo, že čelí velkým šancím. Tolik chytrých návrhů v průběhu let selhalo, že mnoho fyziků je reflexivně skeptických. Zajímavý nový model přesto přináší včasnou dávku optimismu.
„mysleli jsme si, že jsme mysleli na všechno a pod sluncem nebylo nic nového,“ řekl Sundrum. „To ukazuje, že lidé jsou docela chytří a stále existuje prostor pro nové průlomy.“
Poznámka redakce: David Kaplan hostí sérii videí časopisu Quanta.
tento článek byl přetištěn na Wired.com.