tre fysikere, der har samarbejdet i San Francisco Bay Area i det forløbne år, har udtænkt en ny løsning på et mysterium, der har belejret deres felt i mere end 30 år. Dette dybe puslespil, der har drevet eksperimenter med stadig mere magtfulde partikelkollider og givet anledning til den kontroversielle Multiverse-hypotese, svarer til noget, som en lys fjerdeklassing måske spørger: Hvordan kan en magnet løfte en papirclips mod tyngdekraften på hele planeten?
på trods af sin svingning over bevægelsen af stjerner og galakser er tyngdekraften hundreder af millioner billioner trillioner gange svagere end magnetisme og de andre mikroskopiske kræfter i naturen. Denne forskel viser sig i fysikligninger som en tilsvarende absurd forskel mellem massen af Higgs boson, en partikel opdaget i 2012, der styrer masserne og kræfterne forbundet med de andre kendte partikler og det forventede masseområde af endnu uopdagede gravitationstilstande af materie.
i mangel af beviser fra Europas Large Hadron Collider (LHC), der støtter nogen af de teorier, der tidligere blev foreslået for at forklare dette uhyggelige massehierarki — herunder den forførende elegante “supersymmetri” — er mange fysikere kommet til at tvivle på selve logikken i naturens love. I stigende grad bekymrer de sig for, at vores univers måske bare er en tilfældig, temmelig bisarr permutation blandt utallige andre mulige universer — en effektiv blindgyde i søgen efter en sammenhængende naturteori.
denne måned lancerede LHC sin ivrigt forventede anden runde med næsten det dobbelte af sin tidligere driftsenergi og fortsatte sin forfølgelse af nye partikler eller fænomener, der ville løse hierarkiproblemet. Men den meget reelle mulighed for, at ingen nye partikler ligger rundt om hjørnet, har efterladt teoretiske fysikere overfor deres “mareridtsscenarie.”Det har også fået dem til at tænke.
“det er i krisetider, at nye ideer udvikler sig,” sagde Gian Giudice, en teoretisk partikelfysiker ved CERN-laboratoriet nær Geneve, som huser LHC.
det nye forslag giver en mulig vej fremad. Trioen er “super begejstret”, sagde David Kaplan, 46, en teoretisk partikelfysiker fra Johns Hopkins University i Baltimore, Md., der udviklede modellen under en sabbatsperiode på vestkysten med Peter Graham, 35, fra Stanford University og Surjeet Rajendran, 32, Fra University of California, Berkeley.
deres løsning sporer hierarkiet mellem tyngdekraften og de andre grundlæggende kræfter tilbage til kosmos eksplosive fødsel, da deres model antyder, at to variabler, der udviklede sig i tandem pludselig fastlåst. På det øjeblik låste en hypotetisk partikel kaldet “aksionen” Higgs boson i sin nuværende masse langt under tyngdekraften. Aksionen har optrådt i teoretiske ligninger siden 1977 og anses for sandsynligt at eksistere. Alligevel bemærkede ingen indtil nu, at aksioner kunne være, hvad trioen kalder “afslapninger”, der løser hierarkiproblemet ved at “slappe af” værdien af Higgs-massen.
” det er en meget, meget smart ide, ” sagde Raman Sundrum, en teoretisk partikelfysiker ved University of Maryland i College Park, som ikke var involveret i at udvikle den. “Muligvis en version af det er den måde, verden fungerer på.”
i ugerne siden trioens papir dukkede op online, har det åbnet “en ny legeplads” befolket med forskere, der er ivrige efter at revidere sine svagheder og tage sin grundlæggende forudsætning i forskellige retninger, sagde Nathaniel Craig, en teoretisk fysiker ved University of California, Santa Barbara.
“dette virker bare som en ret simpel mulighed,” sagde Rajendran. “Vi står ikke på hovedet for at gøre noget vanvittigt her. Det vil bare arbejde.”
men som flere eksperter bemærkede, har ideen i sin nuværende form mangler, der skal overvejes nøje. Og selvom det overlever denne kontrol, kan det tage mere end et årti at teste eksperimentelt. For tiden sagde eksperter, at afslapningen ryster langvarige synspunkter og opfordrer nogle fysikere til at se hierarkiproblemet i et nyt lys. Lektionen, sagde Michael Dine, en fysiker ved University of California, og en veteran fra hierarkiproblemet, er “ikke bare at give op og antage, at vi ikke kan finde ud af det.”
en unaturlig Balance
For alle de afsløringer omkring 2012 opdagelsen af Higgs boson, som afsluttede “Standard Model” af partikelfysik og tjente Peter Higgs og Franrius Englert Nobelprisen i fysik 2013, kom det som en lille overraskelse; partiklens eksistens og målte masse på 125 giga-elektronvolt (GeV) aftalt med mange års indirekte beviser. Det er, hvad der ikke blev fundet på LHC, der efterlod eksperter forvirrede. Intet dukkede op, der kunne forene Higgs-massen med den forudsagte masseskala forbundet med tyngdekraften, som ligger uden for eksperimentel rækkevidde ved 10.000.000.000.000.000.000 GeV.
“spørgsmålet er, at i kvantemekanik påvirker alt andet,” forklarede Giudice. De supertunge gravitationstilstande skal blande sig kvantemekanisk med Higgs bosonen og bidrage med enorme faktorer til værdien af dens masse. Alligevel ender Higgs boson på en eller anden måde let. Det er som om alle de gigantiske faktorer, der påvirker dens masse — nogle positive, andre negative, men alle snesevis af cifre lange — er magisk annulleret og efterlader en ekstraordinær lille værdi. Den usandsynligt finjusterede annullering af disse faktorer virker “mistænkelig,” sagde Giudice. “Du tror, ja, der må være noget andet bag det.”
eksperter sammenligner ofte den finjusterede Higgs-masse med en blyant, der står på dens blyspids, skubbet på denne måde og det ved kraftige kræfter som luftstrømme og bordvibrationer, der på en eller anden måde har ramt en perfekt balance. “Det er ikke en tilstand af umulighed; det er en tilstand af ekstremt lille sandsynlighed,” sagde Savas Dimopoulos fra Stanford. Hvis du stødte på en sådan blyant, sagde han: “du ville først flytte din hånd over blyanten for at se, om der var nogen streng, der holdt den fra loftet. du ville se på spidsen for at se, om der er tyggegummi.”
fysikere har ligeledes søgt en naturlig forklaring på hierarkiproblemet siden 1970 ‘erne, overbevist om, at søgningen ville føre dem mod en mere komplet naturteori, måske endda skrue op partiklerne bag” mørkt stof”, det usynlige stof, der gennemsyrer galakser. “Naturlighed har virkelig været ledemotivet for denne forskning,” sagde Giudice.
siden 1980 ‘ erne har det mest populære forslag været supersymmetri. Det løser hierarkiproblemet ved at postulere en endnu ikke opdaget tvilling for hver elementær partikel: for elektronen, en hypotetisk” selectron”, for hver kvark, en” firkant ” og så videre. Tvillinger bidrager modsatte udtryk til massen af Higgs boson, hvilket gør det immun mod virkningerne af supertunge tyngdekraftspartikler (da de annulleres af virkningerne af deres tvillinger).
men intet bevis for supersymmetri eller for konkurrerende ideer — såsom “technicolor” og “skæve ekstra dimensioner” — dukkede op under den første kørsel af LHC fra 2010 til 2013. Da collideren lukkede ned for opgraderinger i begyndelsen af 2013 uden at have fundet en enkelt “sparticle” eller noget andet tegn på fysik ud over standardmodellen, følte mange eksperter, at de ikke længere kunne undgå at overveje et skarpt alternativ. Hvad hvis Higgs-massen og implicit naturlovene er unaturlige? Beregninger viser, at hvis Higgs bosons masse kun var et par gange tungere, og alt andet forblev det samme, kunne protoner ikke længere samles i atomer, og der ville ikke være nogen komplekse strukturer — ingen stjerner eller levende væsener. Så hvad nu hvis vores univers virkelig er så tilfældigt finjusteret som en blyant afbalanceret på spidsen, udpeget som vores kosmiske adresse fra et utænkeligt stort udvalg af bobleuniverser inde i et evigt skummende “multiverse” hav, simpelthen fordi livet kræver en sådan uhyrlig ulykke at eksistere?
denne Multiverse hypotese, som har truet over diskussioner om hierarkiproblemet siden slutningen af 1990 ‘ erne, ses af de fleste fysikere som en dyster udsigt. “Jeg ved bare ikke, hvad jeg skal gøre med det,” sagde Craig. “Vi ved ikke, hvad reglerne er.”Andre bobler af multiverset, hvis de findes, ligger ud over grænserne for lyskommunikation og begrænser for evigt teorier om multiverset til det, vi kan observere fra vores ensomme boble. Med ingen måde at fortælle, hvor vores datapunkt ligger på det store spektrum af muligheder i en multivers, bliver det svært eller umuligt at konstruere multiversbaserede argumenter om, hvorfor vores univers er som det er. “Jeg ved ikke, på hvilket tidspunkt vi nogensinde ville blive overbevist,” sagde Dine. “Hvordan ville du løse det? Hvordan ville du vide det?”
Higgs og afslapning
Kaplan besøgte Bay Area sidste sommer for at samarbejde med Graham og Rajendran, som han kendte, fordi alle tre havde arbejdet på forskellige tidspunkter under Dimopoulos, som var en af de vigtigste udviklere af supersymmetri. I løbet af det sidste år delte trioen deres tid mellem Berkeley og Stanford — og de forskellige kaffebarer, frokostpletter og isbarer, der grænser op til begge campusser — udveksler “embryonale bits af ideen,” sagde Graham, og gradvist udvikle en ny oprindelseshistorie for partikelfysikens love.
inspireret af et forsøg fra 1984 af Larry Abbott på at tackle et andet naturproblem i fysikken, forsøgte de at omarbejde Higgs-massen som en udviklende parameter, en der dynamisk kunne “slappe af” til sin lille værdi under kosmos fødsel snarere end at starte som en fast, tilsyneladende usandsynlig konstant. “Selvom det tog seks måneder med blindgyder og virkelig dumme modeller og meget barokke, komplicerede ting, endte vi med at lande på dette meget enkle billede,” sagde Kaplan.
i deres model afhænger Higgs-massen af den numeriske værdi af et hypotetisk felt, der gennemsyrer rum og tid: et aksionsfelt. For at forestille os det, ” tænker vi på totaliteten af rummet som denne 3-D madras,” sagde Dimopoulos. Værdien på hvert punkt i feltet svarer til, hvor komprimeret madrasfjedrene er der. Det er længe blevet erkendt, at eksistensen af denne madras-og dens vibrationer i form af aksioner — kunne løse to dybe mysterier: For det første ville aksionfeltet forklare, hvorfor de fleste interaktioner mellem protoner og neutroner løber både fremad og bagud og løser det, der er kendt som “strong CP” – problemet. Og aksioner kunne udgøre mørkt stof. At løse hierarkiproblemet ville være en tredje imponerende præstation.
historien om den nye model begynder, da kosmos var en energi-infunderet prik. Aksionmadrassen var ekstremt komprimeret, hvilket gjorde Higgs-massen enorm. Da Universet udvidede sig, slappede fjedrene af, som om deres energi spredte sig gennem fjedrene i det nyoprettede rum. Da energien forsvandt, gjorde Higgs-massen det også. Da massen faldt til sin nutidsværdi, fik den en relateret variabel til at springe forbi nul og tænde Higgs-feltet, en molasselignende enhed, der giver masse til partiklerne, der bevæger sig gennem den, såsom elektroner og kvarker. Massive kvarker interagerede igen med aksionfeltet og skabte kamme i den metaforiske bakke, som dens energi havde rullet ned. Aksionfeltet sidder fast. Det samme gjorde Higgs mass.
i hvad Sundrum kaldte en radikal pause fra tidligere modeller, viser den nye, hvordan det moderne massehierarki kunne have været skulptureret af kosmos fødsel. “Det faktum, at de har lagt ligninger til dette i realistisk forstand, er virkelig bemærkelsesværdigt,” sagde han.
Dimopoulos bemærkede den slående Minimalisme i modellen, der hovedsagelig anvender forud etablerede ideer. “Folk som mig selv, der har investeret en hel del på disse andre tilgange til hierarkiproblemet, blev meget lykkeligt overrasket over, at du ikke behøver at se meget langt,” sagde han. “I baghaven til standardmodellen var løsningen der. Det tog meget kloge unge mennesker at indse det.
“dette hæver aktiekursen for aksionen,” tilføjede han. For nylig begyndte Aksion Dark Matter-eksperimentet på Seattle at lede efter de sjældne konverteringer af mørke stofaksioner til lys inde i stærke magnetfelter. Nu sagde Dimopoulos: “vi skal se endnu sværere ud for at finde det.”
men som mange eksperter bemærkede Nima Arkani-Hamed fra Institute for Advanced Study i Princeton, NJ, at det er tidlige dage for dette forslag. Mens “det er bestemt smart,” sagde han, er dens nuværende implementering langt hentet. For eksempel, for at aksionfeltet skal have sat sig fast på de kamme, der er skabt af kvarkerne i stedet for at rulle forbi dem, skal kosmisk inflation have udviklet sig meget langsommere, end de fleste kosmologer har antaget. “Du tilføjer 10 milliarder års inflation,” sagde han. “Du er nødt til at undre dig over, hvorfor al kosmologi arrangerer sig bare for at få dette til at ske.”
og selvom aksionen opdages, ville det alene ikke bevise, at det er “afslapningen” — at det slapper af værdien af Higgs-massen. Da Kaplans ophold i Bay Area vinder ned, begynder han, Graham og Rajendran at udvikle ideer til, hvordan man tester dette aspekt af deres model. Det kan i sidste ende være muligt at svinge et aksionfelt, for eksempel for at se, om dette påvirker masserne af nærliggende elementære partikler ved hjælp af Higgs-massen. “Du ville se elektronmassen vrikke,” sagde Graham.
disse test af forslaget vil ikke ske i mange år. (Modellen forudsiger ikke nye fænomener, som LHC ville opdage.) Og realistisk, sagde flere eksperter, står det over for lange odds. Så mange kloge forslag har fejlet gennem årene, at mange fysikere er refleksivt skeptiske. Alligevel leverer den spændende nye model en rettidig dosis optimisme.
” vi troede, vi havde tænkt på alt, og der var ikke noget nyt under solen,” sagde Sundrum. “Hvad dette viser er, at mennesker er ret kloge, og der er stadig plads til nye gennembrud.”
Redaktørens Note: David Kaplan er vært for kvanta magasinets i teorien videoserie.
denne artikel blev genoptrykt på Wired.com.