Drei Physiker, die im vergangenen Jahr in der San Francisco Bay Area zusammengearbeitet haben, haben eine neue Lösung für ein Rätsel entwickelt, das ihr Gebiet seit mehr als 30 Jahren beschäftigt. Dieses tiefgründige Rätsel, das Experimente an immer leistungsfähigeren Teilchenbeschleunigern vorangetrieben und die umstrittene Multiversum-Hypothese hervorgebracht hat, läuft auf etwas hinaus, was ein kluger Viertklässler fragen könnte: Wie kann ein Magnet eine Büroklammer gegen die Anziehungskraft des gesamten Planeten heben?
Trotz ihres Einflusses auf die Bewegung von Sternen und Galaxien ist die Schwerkraft hunderte Millionen Billionen Billionen Mal schwächer als der Magnetismus und die anderen mikroskopischen Kräfte der Natur. Diese Disparität zeigt sich in physikalischen Gleichungen als ähnlich absurder Unterschied zwischen der Masse des Higgs-Bosons, einem 2012 entdeckten Teilchen, das die Massen und Kräfte der anderen bekannten Teilchen steuert, und dem erwarteten Massenbereich noch unentdeckter Gravitationszustände der Materie.
In Ermangelung von Beweisen aus dem europäischen Large Hadron Collider (LHC), die eine der Theorien unterstützen, die zuvor vorgeschlagen wurden, um diese absurde Massenhierarchie zu erklären — einschließlich der verführerisch eleganten „Supersymmetrie“ —, zweifeln viele Physiker an der Logik der Naturgesetze. Zunehmend befürchten sie, dass unser Universum nur eine zufällige, ziemlich bizarre Permutation unter unzähligen anderen möglichen Universen sein könnte – eine effektive Sackgasse auf der Suche nach einer kohärenten Theorie der Natur.
In diesem Monat startete der LHC seinen mit Spannung erwarteten zweiten Lauf mit fast doppelter Betriebsenergie und setzte seine Suche nach neuen Teilchen oder Phänomenen fort, die das Hierarchieproblem lösen würden. Aber die sehr reale Möglichkeit, dass keine neuen Teilchen um die Ecke liegen, hat theoretische Physiker vor ihrem „Albtraum-Szenario“ gestellt.“ Es hat sie auch zum Nachdenken gebracht.
„In Krisenmomenten entwickeln sich neue Ideen“, sagte Gian Giudice, theoretischer Teilchenphysiker am CERN-Labor in der Nähe von Genf, in dem sich der LHC befindet.
Der neue Vorschlag bietet einen möglichen Weg. Das Trio ist „super aufgeregt“, sagte David Kaplan, 46, ein theoretischer Teilchenphysiker von der Johns Hopkins University in Baltimore, Md., der das Modell während eines Sabbaticals an der Westküste mit Peter Graham, 35, von der Stanford University und Surjeet Rajendran, 32, von der University of California, Berkeley, entwickelte.
Ihre Lösung verfolgt die Hierarchie zwischen der Schwerkraft und den anderen fundamentalen Kräften bis zur explosiven Geburt des Kosmos zurück, als, wie ihr Modell nahelegt, zwei Variablen, die sich im Tandem entwickelten, plötzlich festgefahren waren. In diesem Moment schloss ein hypothetisches Teilchen namens „Axion“ das Higgs-Boson in seine heutige Masse ein, weit unter der Skala der Schwerkraft. Das Axion ist seit 1977 in theoretischen Gleichungen aufgetaucht und gilt als wahrscheinlich. Doch bis jetzt hat niemand bemerkt, dass Axionen das sein könnten, was das Trio „Relaxionen“ nennt, die das Hierarchieproblem lösen, indem sie den Wert der Higgs-Masse „entspannen“.
„Es ist eine sehr, sehr clevere Idee“, sagte Raman Sundrum, ein theoretischer Teilchenphysiker an der University of Maryland in College Park, der nicht an der Entwicklung beteiligt war. „Möglicherweise ist eine Version davon die Art und Weise, wie die Welt funktioniert.“
In den Wochen, seit das Papier des Trios online erschienen ist, hat es „einen neuen Spielplatz“eröffnet, der von Forschern bevölkert ist, die bestrebt sind, ihre Schwächen zu überarbeiten und ihre Grundvoraussetzung in verschiedene Richtungen zu bringen, sagte Nathaniel Craig, ein theoretischer Physiker an der University of California, Santa Barbara.
„Dies scheint nur eine ziemlich einfache Möglichkeit zu sein“, sagte Rajendran. „Wir stehen nicht auf dem Kopf, um hier etwas Verrücktes zu tun. Es will nur funktionieren.“
Wie mehrere Experten feststellten, weist die Idee in ihrer derzeitigen Form jedoch Mängel auf, die sorgfältig geprüft werden müssen. Und selbst wenn es diese Prüfung überlebt, könnte es mehr als ein Jahrzehnt dauern, um experimentell zu testen. Vorerst, so Experten, rüttelt das Relaxion lange zurückgehaltene Ansichten auf und ermutigt einige Physiker, das Hierarchieproblem in einem neuen Licht zu sehen. Die Lektion, sagte Michael Dine, Physiker an der University of California, Santa Cruz, und ein Veteran des Hierarchieproblems, ist „nicht einfach aufzugeben und anzunehmen, dass wir es nicht herausfinden können.“
Ein unnatürliches Gleichgewicht
Bei all dem Trubel um die Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012, das das „Standardmodell“ der Teilchenphysik vervollständigte und Peter Higgs und François Englert den Nobelpreis für Physik 2013 einbrachte, war es wenig überraschend; Die Existenz und die gemessene Masse des Teilchens von 125 Gigaelektronenvolt (GeV) stimmten mit jahrelangen indirekten Beweisen überein. Es ist das, was am LHC nicht gefunden wurde, was Experten verblüfft hat. Es zeigte sich nichts, was die Higgs-Masse mit der vorhergesagten Massenskala im Zusammenhang mit der Schwerkraft in Einklang bringen könnte, die bei 10.000.000.000.000.000.000 GeV außerhalb der experimentellen Reichweite liegt.
„Das Problem ist, dass in der Quantenmechanik alles alles andere beeinflusst“, erklärte Giudice. Die superschweren Gravitationszustände sollten sich quantenmechanisch mit dem Higgs-Boson vermischen und enorme Faktoren zum Wert seiner Masse beitragen. Doch irgendwie endet das Higgs-Boson leicht. Es ist, als hätten sich alle gigantischen Faktoren, die seine Masse beeinflussen — einige positiv, andere negativ, aber alle Dutzende von Ziffern lang — auf magische Weise aufgehoben und einen außergewöhnlich winzigen Wert hinterlassen. Die unwahrscheinlich fein abgestimmte Aufhebung dieser Faktoren scheint „verdächtig“ zu sein, sagte Giudice. „Du denkst, nun, da muss etwas anderes dahinter stecken.“
Experten vergleichen die fein abgestimmte Higgs-Masse oft mit einem Bleistift, der auf seiner Bleispitze steht und auf diese Weise durch starke Kräfte wie Luftströmungen und Tischvibrationen angestoßen wird, die irgendwie ein perfektes Gleichgewicht gefunden haben. „Es ist kein Zustand der Unmöglichkeit; Es ist ein Zustand extrem geringer Wahrscheinlichkeit“, sagte Savas Dimopoulos von Stanford. Wenn Sie auf einen solchen Bleistift stießen, sagte er: „Sie würden zuerst Ihre Hand über den Bleistift bewegen, um zu sehen, ob eine Schnur ihn von der Decke hält. sie würden auf die Spitze schauen, um zu sehen, ob es Kaugummi gibt.“
Physiker haben seit den 1970er Jahren in ähnlicher Weise nach einer natürlichen Erklärung für das Hierarchieproblem gesucht, zuversichtlich, dass die Suche sie zu einer vollständigeren Theorie der Natur führen würde, vielleicht sogar die Teilchen hinter der „dunklen Materie“, der unsichtbaren Substanz, die Galaxien durchdringt. „Natürlichkeit war wirklich das Leitmotiv dieser Forschung“, sagte Giudice.
Seit den 1980er Jahren ist der populärste Vorschlag die Supersymmetrie. Es löst das Hierarchieproblem, indem es für jedes Elementarteilchen einen noch zu entdeckenden Zwilling postuliert: für das Elektron ein hypothetisches „Selektron“, für jedes Quark ein „Quadrat“ und so weiter. Zwillinge tragen entgegengesetzte Begriffe zur Masse des Higgs-Bosons bei und machen es immun gegen die Auswirkungen superschwerer Gravitationsteilchen (da sie durch die Auswirkungen ihrer Zwillinge zunichte gemacht werden).
Aber während des ersten Laufs des LHC von 2010 bis 2013 tauchten keine Beweise für Supersymmetrie oder für konkurrierende Ideen wie „Technicolor“ und „warped extra dimensions“ auf. Als der Collider Anfang 2013 für Upgrades heruntergefahren wurde, ohne ein einziges „Spartikel“ oder ein anderes Zeichen der Physik jenseits des Standardmodells gefunden zu haben, hatten viele Experten das Gefühl, sie könnten es nicht länger vermeiden, über eine starke Alternative nachzudenken. Was ist, wenn die Higgs-Masse und damit die Naturgesetze unnatürlich sind? Berechnungen zeigen, dass, wenn die Masse des Higgs—Bosons nur ein paar Mal schwerer wäre und alles andere gleich bliebe, Protonen sich nicht mehr zu Atomen zusammensetzen könnten und es keine komplexen Strukturen gäbe – keine Sterne oder Lebewesen. Was ist also, wenn unser Universum wirklich so zufällig fein abgestimmt ist wie ein Bleistift, der auf seiner Spitze balanciert ist, wie unsere kosmische Adresse aus einer unvorstellbar großen Anzahl von Blasenuniversen in einem ewig schäumenden „Multiversum“ -Meer herausgegriffen wird, einfach weil das Leben einen so empörenden Unfall erfordert, um zu existieren?
Diese Multiversumshypothese, die seit den späten 1990er Jahren die Diskussionen über das Hierarchieproblem dominiert, wird von den meisten Physikern als düstere Perspektive angesehen. „Ich weiß einfach nicht, was ich damit anfangen soll“, sagte Craig. „Wir wissen nicht, was die Regeln sind.“ Andere Blasen des Multiversums, wenn sie existieren, liegen jenseits der Grenzen der Lichtkommunikation und beschränken Theorien über das Multiversum für immer auf das, was wir aus unserer einsamen Blase beobachten können. Da wir nicht sagen können, wo unser Datenpunkt im riesigen Spektrum der Möglichkeiten in einem Multiversum liegt, wird es schwierig oder unmöglich, multiversumbasierte Argumente darüber zu konstruieren, warum unser Universum so ist, wie es ist. „Ich weiß nicht, an welchem Punkt wir jemals überzeugt sein würden“, sagte Dine. „Wie würdest du es regeln? Woher willst du das wissen?“
Das Higgs und das Relaxion
Kaplan besuchte letzten Sommer die Bay Area, um mit Graham und Rajendran zusammenzuarbeiten, die er kannte, weil alle drei zu verschiedenen Zeiten unter Dimopoulos gearbeitet hatten, der einer der Schlüsselentwickler der Supersymmetrie war. Im vergangenen Jahr teilte das Trio seine Zeit zwischen Berkeley und Stanford auf — und den verschiedenen Coffeeshops, Lunch—Spots und Eisdielen an beiden Standorten – und tauschte „embryonale Teile der Idee“ aus, sagte Graham, und nach und nach eine neue Ursprungsgeschichte für die Gesetze der Teilchenphysik entwickeln.
Inspiriert von einem Versuch von Larry Abbott aus dem Jahr 1984, ein anderes Natürlichkeitsproblem in der Physik anzugehen, versuchten sie, die Higgs-Masse als sich entwickelnden Parameter neu zu formulieren, der sich während der Geburt des Kosmos dynamisch auf seinen winzigen Wert „entspannen“ konnte, anstatt als feste, scheinbar unwahrscheinliche Konstante zu beginnen. „Obwohl es sechs Monate mit Sackgassen und wirklich dummen Modellen und sehr barocken, komplizierten Dingen gedauert hat, sind wir auf diesem sehr einfachen Bild gelandet“, sagte Kaplan.
In ihrem Modell hängt die Higgs-Masse vom numerischen Wert eines hypothetischen Feldes ab, das Raum und Zeit durchdringt: eines Axionenfeldes. Um es sich vorzustellen, „denken wir an die Gesamtheit des Raumes als diese 3-D-Matratze“, sagte Dimopoulos. Der Wert an jedem Punkt im Feld entspricht, wie komprimiert die Matratzenfedern dort sind. Es ist seit langem bekannt, dass die Existenz dieser Matratze – und ihrer Schwingungen in Form von Axionen – zwei tiefe Rätsel lösen könnte: Erstens würde das Axionenfeld erklären, warum die meisten Wechselwirkungen zwischen Protonen und Neutronen sowohl vorwärts als auch rückwärts ablaufen und das sogenannte „starke CP“ -Problem lösen. Und Axionen könnten dunkle Materie bilden. Die Lösung des Hierarchieproblems wäre eine dritte beeindruckende Leistung.
Die Geschichte des neuen Modells beginnt, als der Kosmos ein energiegeladener Punkt war. Die Axionmatratze war extrem komprimiert, was die Higgs-Masse enorm machte. Als sich das Universum ausdehnte, entspannten sich die Quellen, als würde sich ihre Energie durch die Quellen des neu geschaffenen Raums ausbreiten. Als die Energie verschwand, verschwand auch die Higgs-Masse. Als die Masse auf ihren gegenwärtigen Wert fiel, stürzte eine verwandte Variable über Null und schaltete das Higgs-Feld ein, eine molasseähnliche Einheit, die den Teilchen, die sich durch sie bewegen, wie Elektronen und Quarks, Masse verleiht. Massive Quarks wiederum interagierten mit dem Axionenfeld und erzeugten Grate in dem metaphorischen Hügel, auf dem seine Energie heruntergerollt war. Das Axion-Feld blieb stecken. So auch die Higgs-Masse.
In dem, was Sundrum einen radikalen Bruch mit früheren Modellen nannte, zeigt das neue, wie die moderne Massenhierarchie durch die Geburt des Kosmos geformt worden sein könnte. „Die Tatsache, dass sie Gleichungen in einem realistischen Sinne aufgestellt haben, ist wirklich bemerkenswert“, sagte er.
Dimopoulos bemerkte den auffallenden Minimalismus des Modells, das meist vorgefertigte Ideen verwendet. „Leute wie ich, die ziemlich viel in diese anderen Ansätze für das Hierarchieproblem investiert haben, waren sehr glücklich überrascht, dass man nicht sehr weit schauen muss“, sagte er. „Im Hinterhof des Standardmodells war die Lösung da. Es brauchte sehr kluge junge Leute, um das zu realisieren.
„Dies erhöht den Aktienkurs des Axion“, fügte er hinzu. Vor kurzem begann das Axion Dark Matter eXperiment an der University of Washington in Seattle mit der Suche nach den seltenen Umwandlungen von Axionen der dunklen Materie in Licht in starken Magnetfeldern. Nun sagte Dimopoulos: „Wir sollten noch härter suchen, um es zu finden.“
Nima Arkani-Hamed vom Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, stellte jedoch wie viele Experten fest, dass es für diesen Vorschlag noch früh ist. Während „es definitiv clever ist“, sagte er, ist seine derzeitige Implementierung weit hergeholt. Damit das Axionenfeld beispielsweise an den von den Quarks erzeugten Kämmen hängen geblieben ist, anstatt an ihnen vorbeizurollen, muss die kosmische Inflation viel langsamer vorangeschritten sein, als die meisten Kosmologen angenommen haben. „Sie fügen 10 Milliarden Jahre Inflation hinzu“, sagte er. „Man muss sich fragen, warum sich die gesamte Kosmologie so arrangiert, dass dies geschieht.“
Und selbst wenn das Axion entdeckt würde, würde das allein nicht beweisen, dass es das „Relaxion“ist — dass es den Wert der Higgs-Masse entspannt. Als Kaplans Aufenthalt in der Bay Area zu Ende geht, entwickeln er, Graham und Rajendran Ideen, wie sie diesen Aspekt ihres Modells testen können. Es könnte schließlich möglich sein, zum Beispiel ein Axionenfeld zu oszillieren, um zu sehen, ob dies die Massen benachbarter Elementarteilchen über die Higgs-Masse beeinflusst. „Sie würden die Elektronenmasse wackeln sehen“, sagte Graham.
Diese Tests des Vorschlags werden viele Jahre lang nicht stattfinden. (Das Modell sagt keine neuen Phänomene voraus, die der LHC entdecken würde.) Und realistisch, sagten mehrere Experten, steht es vor langen Chancen. So viele kluge Vorschläge sind im Laufe der Jahre gescheitert, dass viele Physiker reflexartig skeptisch sind. Dennoch liefert das faszinierende neue Modell eine rechtzeitige Dosis Optimismus.
„Wir dachten, wir hätten an alles gedacht und es gab nichts Neues unter der Sonne“, sagte Sundrum. „Was dies zeigt, ist, dass Menschen ziemlich schlau sind und es immer noch Raum für neue Durchbrüche gibt.“
Anmerkung der Redaktion: David Kaplan moderiert die In Theory-Videoserie des Quanta-Magazins.
Dieser Artikel wurde am Wired.com .