Three physics who have been collaborated in the San Francisco Bay Area over the last year has developed a new solution to a mystery that has been piined their field for over 30 years. Tämä syvällinen arvoitus, joka on johtanut yhä voimakkaampien hiukkastörmääjien kokeisiin ja synnyttänyt kiistanalaisen multiversumihypoteesin, on jotakin, mitä älykäs neljäsluokkalainen voisi kysyä: miten magneetti voi nostaa paperiliittimen koko planeetan vetovoimaa vastaan?
huolimatta siitä, että painovoima vaikuttaa tähtien ja galaksien liikkeeseen, se on satoja miljoonia biljoonia biljoonia kertaa heikompi kuin magnetismi ja muut mikroskooppiset luonnonvoimat. Tämä eroavaisuus näkyy fysiikan yhtälöissä yhtä absurdina erona Higgsin bosonin massan, vuonna 2012 löydetyn hiukkasen, joka ohjaa muiden tunnettujen hiukkasten massoja ja voimia, ja vielä löytämättömien gravitaatiotilojen odotetun massan välillä.
koska Euroopan Large Hadron Colliderilta (LHC) ei ole saatu todisteita, jotka tukisivat teorioita, joita on aiemmin esitetty tämän järjettömän massahierarkian selittämiseksi — mukaan lukien viettelevän tyylikäs ”supersymmetria” — monet fyysikot ovat alkaneet epäillä luonnon lakien logiikkaa. Yhä enemmän he pelkäävät, että universumimme saattaa olla vain satunnainen, melko outo permutaatio lukemattomien muiden mahdollisten universumien joukossa — tehokas umpikuja johdonmukaisen luonnonteorian etsinnässä.
tässä kuussa LHC käynnisti odotetun toisen käyntinsä lähes kaksinkertaisella edellisellä käyttöenergiallaan jatkaen uusien hiukkasten tai ilmiöiden etsimistä, jotka ratkaisisivat hierarkiaongelman. Mutta se hyvin todellinen mahdollisuus, ettei uusia hiukkasia ole nurkan takana, on jättänyt teoreettiset fyysikot kohtaamaan ” painajaismaisen skenaarionsa.”Se on myös saanut heidät ajattelemaan.
”kriisin hetkinä syntyy uusia ideoita”, sanoi teoreettinen hiukkasfyysikko Gian Giudice Geneven lähellä sijaitsevassa Cernin laboratoriossa, jossa LHC sijaitsee.
uusi ehdotus tarjoaa mahdollisuuden edetä. Kolmikko on ”super innoissaan”, sanoi David Kaplan, 46, teoreettinen hiukkasfyysikko Johns Hopkinsin yliopistosta Baltimoresta., joka kehitti mallin länsirannikon sapattivapaalla Peter Grahamin, 35, Stanfordin yliopiston ja Surjeet Rajendranin, 32, Kalifornian yliopiston Berkeleyssä.
niiden ratkaisu jäljittää painovoiman ja muiden perusvoimien välisen hierarkian aina kosmoksen räjähdysmäiseen syntyyn asti, jolloin, heidän mallinsa mukaan, kaksi muuttujaa, jotka kehittyivät samanaikaisesti, yhtäkkiä lukkiutuivat umpikujaan. Sillä hetkellä hypoteettinen ”aksioniksi” kutsuttu hiukkanen lukitsi Higgsin bosonin nykyiseen massaansa, joka oli paljon painovoiman asteikon alapuolella. Aksioni on esiintynyt teoreettisissa yhtälöissä vuodesta 1977 lähtien ja sitä pidetään todennäköisenä. Kukaan ei kuitenkaan tähän mennessä huomannut, että aksionit voisivat olla sellaisia, joita Kolmikko kutsuu ”relaksioiksi”, ratkaista hierarkiaongelman ”rentouttamalla” Higgsin massan arvoa.
”se on hyvin, hyvin nokkela idea”, sanoi Marylandin yliopiston teoreettinen hiukkasfyysikko Raman Sundrum College Parkissa, joka ei ollut mukana sen kehittämisessä. ”Ehkä jokin versio siitä on se, miten maailma toimii.”
niinä viikkoina, kun trion paperi ilmestyi verkkoon, se on avannut” uuden leikkikentän”, jossa on tutkijoita, jotka ovat innokkaita tarkistamaan sen heikkouksia ja ottamaan sen peruslähtökohdan eri suuntiin, sanoi Nathaniel Craig, teoreettinen fyysikko Kalifornian yliopistossa Santa Barbarassa.
”tämä vain tuntuu aika yksinkertaiselta mahdollisuudelta”, Rajendran sanoi. ”Emme seiso päällämme tehdäksemme jotain hullua. Se haluaa vain toimia.”
kuitenkin, kuten useat asiantuntijat totesivat, ideassa on nykymuodossaan puutteita, joita on harkittava tarkkaan. Ja vaikka se selviäisi tästä tarkastelusta, se voi kestää yli kymmenen vuotta testata kokeellisesti. Asiantuntijat sanoivat, että relaxion ravistelee tällä hetkellä pitkiä näkemyksiä ja rohkaisee joitakin fyysikoita näkemään hierarkiaongelman uudessa valossa. Kalifornian yliopistossa Santa Cruzissa työskentelevä fyysikko ja hierarkiaongelman veteraani Michael Dine sanoi, että opetus on se, että ”emme vain anna periksi ja oleta, ettemme pysty selvittämään asiaa.”
Luonnoton Tasapaino
kaikki revelry ympäröivä 2012 löytö Higgsin bosoni, joka valmistui ”vakiomallin” hiukkasfysiikan ja ansaitsi Peter Higgs ja François Englert vuoden 2013 Fysiikan Nobel-Palkinnon, se tuli niin vähän yllätys, hiukkasen olemassaolon ja mitattu massa 125 giga-electron volttia (GeV) kanssa on sovittu vuoden epäsuoria todisteita. Se, mitä LHC: stä ei löytynyt, jätti asiantuntijat ymmälleen. Mikään ei pystynyt sovittamaan Higgsin massaa painovoimaan liittyvään ennustettuun massasteikkoon, joka on kokeellisesti saavuttamattomissa 10.000.000.000.000.000 GeV.
”kysymys on siitä, että kvanttimekaniikassa kaikki vaikuttaa kaikkeen muuhun”, Giudice selitti. Superraskaiden gravitaatiotilojen pitäisi sekoittua kvanttimekaanisesti Higgsin bosoniin, mikä vaikuttaisi suunnattomasti sen massan arvoon. Silti Higgsin bosoni päätyy jotenkin kevyeksi. On kuin kaikki jättiläismäiset tekijät, jotka vaikuttavat sen massaan — jotkut positiiviset, toiset negatiiviset, mutta kaikki kymmenet numerot pitkät — ovat taianomaisesti peruuttaneet pois, jättäen harvinaisen pienen arvon taakseen. Näiden tekijöiden epätodennäköisesti hienosäädetty peruuttaminen vaikuttaa” epäilyttävältä”, Giudice sanoi. ”Ajattelet, no, sen takana täytyy olla jotain muuta.”
asiantuntijat vertaavat usein hienosäädettyä Higgsin massaa lyijykynään, joka seisoo sen johdinkärjessä ja jota ilmavirtausten ja pöydän värähtelyjen kaltaiset voimakkaat voimat ovat jotenkin saaneet aikaan täydellisen tasapainon. ”Se ei ole mahdottomuuden tila, vaan äärimmäisen pienen todennäköisyyden tila”, sanoi Savas Dimopoulos Stanfordista. Jos törmäsit tällaiseen kynään, hän sanoi: ”ensin liikutat kättäsi kynän yli nähdäksesi, onko sitä katosta kiinni pitelevässä narussa. katsoisit kärjestä, onko siellä purukumia.”
fyysikot ovat samalla tavalla etsineet luonnollista selitystä hierarkiaongelmalle 1970-luvulta lähtien luottaen siihen, että etsintä johtaisi heidät kohti täydellisempää luonnonteoriaa, ehkä jopa kääntäen ylöspäin ”pimeän aineen”, galakseja läpäisevän näkymättömän aineen, takana olevia hiukkasia. ”Luonnollisuus on todella ollut tuon tutkimuksen johtoasema”, Giudice sanoi.
1980-luvulta lähtien suosituin ehdotus on ollut supersymmetria. Se ratkaisee hierarkiaongelman postuloimalla jokaiselle alkeishiukkaselle vielä löydettävän kaksosen: elektronille hypoteettinen ”selectron”, jokaiselle kvarkille” squark ” ja niin edelleen. Kaksoset vaikuttavat vastakkaisilla termeillä Higgsin bosonin massaan, jolloin se on immuuni superraskaiden gravitaatiohiukkasten vaikutuksille (koska niiden kaksosten vaikutukset mitätöivät ne).
mutta mitään todisteita supersymmetriasta tai kilpailevista ideoista — kuten ” technicolor ”ja” warped extra dimensions ” — ei ilmaantunut LHC: n ensimmäisellä ajolla vuosina 2010-2013. Kun törmäytin sammui päivityksiin vuoden 2013 alussa löytämättä yhtäkään ”sparticea” tai muuta merkkiä Normaalimallin ulkopuolisesta fysiikasta, monet asiantuntijat katsoivat, etteivät he voineet enää välttää harkitsemasta karua vaihtoehtoa. Entä jos Higgsin massa ja sen mukaan luonnonlait ovat luonnottomia? Laskelmat osoittavat, että jos Higgsin bosonin massa olisi vain muutaman kerran raskaampi ja kaikki muu pysyisi samana, protonit eivät voisi enää kasautua atomeiksi, eikä olisi monimutkaisia rakenteita — ei tähtiä eikä eläviä olentoja. Mitä sitten, jos universumimme todella on yhtä vahingossa hienosäädetty kuin sen kärjessä tasapainotettu kynä, joka on poimittu kosmiseksi osoitteeksemme käsittämättömän laajasta kuplauniversumien joukosta ikuisesti vaahtoavan ”multiversumin” meren sisältä yksinkertaisesti siksi, että elämä vaatii niin törkeän onnettomuuden ollakseen olemassa?
useimmat fyysikot pitävät tätä multiversumihypoteesia, joka on vellonut hierarkiaongelmaa koskevissa keskusteluissa 1990-luvun lopulta lähtien. ”En vain tiedä, mitä tehdä sillä”, Craig sanoi. ”Emme tiedä sääntöjä.”Multiversumin muut kuplat, jos niitä on olemassa, ovat valoviestinnän rajojen ulkopuolella, ja ne rajoittavat ikuisesti multiversumia koskevia teorioita siihen, mitä voimme havaita yksinäisestä kuplastamme. Koska emme pysty sanomaan, missä datapisteemme sijaitsee multiversumin mahdollisuuksien laajassa kirjossa, on vaikeaa tai mahdotonta rakentaa multiversumipohjaisia argumentteja siitä, miksi maailmankaikkeus on sellainen kuin se on. ”En tiedä, missä vaiheessa olisimme koskaan vakuuttuneita”, Dine sanoi. ”Miten ratkaisisit sen? Mistä sinä sen tiedät?”
The Higgs and the Relaxion
Kaplan vieraili viime kesänä Bay Arealla tehdäkseen yhteistyötä Grahamin ja Rajendranin kanssa, jotka hän tunsi, koska kaikki kolme olivat työskennelleet eri aikoina dimopoulosin alaisuudessa, joka oli yksi supersymmetrian keskeisistä kehittäjistä. Kuluneen vuoden aikana kolmikko jakaa aikansa Berkeleyn ja Stanfordin välillä — ja eri kahviloissa, lounaspaikoissa ja jäätelöbaareissa, jotka reunustavat molempia kampuksia-vaihtamalla ”alkionalkion bittejä ideasta”, Graham sanoi, ja kehittämällä vähitellen uuden alkuperätarinan hiukkasfysiikan laeille.
Larry Abbottin vuonna 1984 tekemän yrityksen innoittamana he pyrkivät laatimaan Higgsin massan uudelleen kehittyväksi parametriksi, joka voisi dynaamisesti ”rentoutua” pikkuruiseen arvoonsa kosmoksen syntyessä sen sijaan, että alkaisi olla kiinteä, näennäisesti epätodennäköinen vakio. ”Vaikka tarvittiin puoli vuotta umpikujia ja todella tyhmiä malleja ja hyvin barokkimaisia, monimutkaisia asioita, päädyimme tähän hyvin yksinkertaiseen kuvaan”, Kaplan sanoi.
niiden mallissa Higgsin massa riippuu avaruutta ja aikaa läpäisevän hypoteettisen kentän numeerisesta arvosta: aksionikentästä. Kuvitellaksemme sitä,” ajattelemme avaruuden kokonaisuuden olevan tämä 3D-patja”, Dimopoulos sanoi. Arvo kentän jokaisessa pisteessä vastaa sitä, kuinka ahtautuneet patjajouset ovat siellä. On jo pitkään tunnustettu, että tämän patjan olemassaolo-ja sen värähtelyt aksionien muodossa-voisi ratkaista kaksi syvää mysteeriä: Ensinnäkin aksionikenttä selittäisi, miksi useimmat protonien ja neutronien väliset vuorovaikutukset kulkevat sekä eteen-että taaksepäin ja ratkaisevat niin sanotun ”vahvan CP” – ongelman. Aksionit voivat muodostaa pimeää ainetta. Hierarkiaongelman ratkaiseminen olisi kolmas vaikuttava saavutus.
uuden mallin tarina alkaa, kun Kosmos oli energiaa täynnä oleva piste. Aksionipatja oli äärimmäisen ahdas, mikä teki Higgsin massasta valtavan. Kun maailmankaikkeus laajeni, Jouset löystyivät, ikään kuin niiden energia leviäisi vasta luodun avaruuden lähteiden kautta. Kun energia haihtui, haihtui myös Higgsin massa. Kun massa laski nykyarvoonsa, se sai siihen liittyvän muuttujan syöksymään nollan ohi ja kytkemään päälle Higgsin kentän, molassimaisen kokonaisuuden, joka antaa massan sen läpi liikkuville hiukkasille, kuten elektroneille ja kvarkeille. Massiiviset kvarkit vuorostaan vuorovaikuttivat aksionikentän kanssa ja loivat vertauskuvalliseen kukkulaan harjanteita, joita sen energia oli vierinyt alas. Aksion kenttä jäi jumiin. Samoin Higgsin massa.
Sundrumin mukaan radikaali irtiotto aiemmista malleista osoittaa, miten nykyajan massahierarkia on saattanut muovautua kosmoksen synnyn myötä. ”Se, että tähän on laitettu yhtälöt realistisessa mielessä, on todella merkittävää”, hän sanoi.
Dimopoulos huomautti mallin hätkähdyttävästä minimalismista, jossa käytetään enimmäkseen ennalta sovittuja ideoita. ”Minun kaltaiseni ihmiset, jotka ovat panostaneet aika paljon näihin muihin lähestymistapoihin hierarkiaongelmaan, olivat hyvin iloisesti yllättyneitä siitä, että ei tarvitse katsoa kovin kauas”, hän sanoi. ”Standardimallin takapihalla ratkaisu oli. Sen tajuamiseen tarvittiin fiksuja nuoria.
”tämä nostaa aksionin osakekurssia”, hän lisäsi. Äskettäin Axion Dark Matter-kokeessa Washingtonin yliopistossa Seattlessa alettiin etsiä pimeän aineen aksionien harvinaisia muunnoksia valoksi voimakkaiden magneettikenttien sisällä. Dimopoulos sanoi: ”meidän pitäisi etsiä vielä kovemmin löytääksemme sen.”
monien asiantuntijoiden tavoin Nima Arkani-Hamed Princetonin Institute for Advanced Study-tutkimuslaitoksesta N. J. totesi kuitenkin, että on varhaista aikaa tälle ehdotukselle. Vaikka” se on ehdottomasti fiksu”, hän sanoi, sen nykyinen toteutus on kaukaa haettu. Esimerkiksi jotta aksionikenttä olisi juuttunut kvarkkien synnyttämiin harjanteisiin eikä vierinyt niiden ohi, kosmisen inflaation on täytynyt edetä paljon hitaammin kuin useimmat kosmologit ovat olettaneet. ”Siihen lisätään 10 miljardia vuotta inflaatiota”, hän sanoi. ”Täytyy ihmetellä, miksi kaikki kosmologia järjestää itsensä vain saadakseen tämän tapahtumaan.”
ja vaikka aksioni löydettäisiin, se ei yksin todistaisi sen olevan ”relaxion” – että se rentouttaa Higgsin massan arvoa. Kun Kaplanin oleskelu lahden alueella päättyy, hän, Graham ja Rajendran alkavat kehittää ideoita, miten testata tätä puolta mallissaan. Aksionikentän värähtely voisi lopulta olla mahdollista esimerkiksi sen selvittämiseksi, vaikuttaako tämä läheisten alkeishiukkasten massoihin Higgsin massan avulla. ”Näkisit elektronimassan heiluvan”, Graham sanoi.
näitä ehdotuksen testejä ei tapahdu vielä moneen vuoteen. (Malli ei ennusta mitään uusia ilmiöitä, joita LHC havaitsisi.) Ja realistisesti, useat asiantuntijat sanoivat, se kohtaa pitkät kertoimet. Niin monet nokkelat ehdotukset ovat vuosien varrella epäonnistuneet, että monet fyysikot ovat refleksinomaisen skeptisiä. Kiehtova uusi malli antaa silti aimo annoksen optimismia.
”luulimme, että olimme ajatelleet kaikkea, eikä auringon alla ollut mitään uutta”, Sundrum sanoi. ”Tämä osoittaa, että ihmiset ovat aika älykkäitä ja uusille läpimurroille on vielä tilaa.”
Editor ’ s Note: David Kaplan juontaa Quanta Magazinen in Theory-videosarjaa.
tästä artikkelista otettiin uusintapainos Wired.com.