három fizikus, akik az elmúlt évben együttműködtek a San Francisco-öböl térségében, új megoldást dolgoztak ki egy rejtélyre, amely több mint 30 éve küzd a területükön. Ez a mély rejtvény, amely egyre erősebb részecskeütközőkkel végzett kísérleteket hajtott végre, és az ellentmondásos multiverzum hipotézist eredményezte, olyan, amit egy fényes negyedikes tanuló feltehet: hogyan képes egy mágnes felemelni egy gemkapcsot az egész bolygó gravitációs vonzása ellen?
annak ellenére, hogy a csillagok és galaxisok mozgása felett uralkodik, a gravitációs erő több százmillió billiószor gyengébb, mint a mágnesesség és a természet más mikroszkopikus erői. Ez a különbség a fizikai egyenletekben hasonlóan abszurd különbségként jelenik meg a Higgs-bozon tömege, egy 2012-ben felfedezett részecske, amely a többi ismert részecskéhez kapcsolódó tömegeket és erőket szabályozza, és az anyag még fel nem fedezett gravitációs állapotainak várható tömegtartománya között.
az Európai Nagy Hadronütköztető (LHC) bizonyítékainak hiányában, amelyek alátámasztják a korábban javasolt elméleteket, hogy megmagyarázzák ezt az abszurd tömeghierarchiát — beleértve a csábítóan elegáns “szuperszimmetriát”—, sok fizikus megkérdőjelezte a természet törvényeinek logikáját. Egyre inkább attól tartanak, hogy univerzumunk csak véletlenszerű lehet, meglehetősen bizarr permutáció megszámlálhatatlan más lehetséges univerzumok között — hatékony zsákutca a koherens természetelmélet keresésében.
ebben a hónapban az LHC elindította a várakozással várt második futását a korábbi működési energia közel kétszeresével, folytatva az új részecskék vagy jelenségek keresését, amelyek megoldják a hierarchia problémáját. De az a valós lehetőség, hogy egyetlen új részecske sem fekszik a sarkon, az elméleti fizikusokat a “rémálom forgatókönyvével” szemben hagyta.”Ez is elgondolkodtatta őket.
“a válság pillanataiban új ötletek alakulnak ki” – mondta Gian Giudice, az LHC-nek otthont adó Genf melletti CERN laboratórium elméleti részecskefizikusa.
az új javaslat lehetőséget kínál a továbblépésre. A trió “szuper izgatott” – mondta a 46 éves David Kaplan, a baltimore-i Johns Hopkins Egyetem Elméleti részecskefizikusa., aki a modellt a Nyugati Parti szombat során fejlesztette ki Peter Grahammel, 35, Stanford Egyetem és Surjeet Rajendran, 32, A Kaliforniai Egyetem, Berkeley.
megoldásuk a gravitáció és a többi alapvető erő közötti hierarchiát a kozmosz robbanásszerű születéséig vezeti vissza, amikor modelljük szerint két, egymással párhuzamosan fejlődő változó hirtelen holtpontra jutott. Ebben a pillanatban egy hipotetikus részecske, az úgynevezett “axion” bezárta a Higgs-bozont a mai tömegébe, messze a gravitációs skála alatt. Az axion 1977 óta jelenik meg az elméleti egyenletekben, és valószínűleg létezik. Eddig azonban senki sem vette észre, hogy a tengelyek lehetnek az, amit a trió “relaxionoknak” nevez, megoldva a hierarchia problémáját a Higgs-tömeg értékének “pihentetésével”.
“ez egy nagyon-nagyon okos ötlet” – mondta Raman Sundrum, a Marylandi Egyetem Elméleti részecskefizikusa a College parkban, aki nem vett részt a kifejlesztésében. “Lehetséges, hogy ennek valamilyen változata az, ahogyan a világ működik.”
a trió online megjelenése óta eltelt hetekben “új játszóteret” nyitott meg a kutatókkal, akik szívesen vizsgálják felül a gyengeségeit, és különböző irányokba veszik az alapvető előfeltételeket-mondta Nathaniel Craig, a Santa Barbara-i Kaliforniai Egyetem elméleti fizikusa.
“ez csak egy nagyon egyszerű lehetőségnek tűnik” – mondta Rajendran. “Nem azért állunk a fejünkre, hogy valami őrültséget csináljunk. Csak dolgozni akar.”
amint azonban több szakértő megjegyezte, jelenlegi formájában az ötletnek vannak hiányosságai, amelyeket alaposan meg kell fontolni. És még ha túl is éli ezt a vizsgálatot, több mint egy évtizedbe telhet a kísérleti tesztelése. A szakértők szerint a relaxion egyelőre felrázza a régóta visszatartott nézeteket, és arra ösztönzi a fizikusokat, hogy új megvilágításban lássák a hierarchia problémáját. A tanulság-mondta Michael Dine, a Santa Cruz-i Kaliforniai Egyetem fizikusa és a hierarchia problémájának veteránja-az, hogy “nem szabad feladni és feltételezni, hogy nem leszünk képesek kitalálni.”
természetellenes egyensúly
a Higgs-bozon 2012-es felfedezésével kapcsolatos összes mulatság, amely a részecskefizika “Standard modelljét” kiegészítette, és Peter Higgs és Fran ons Englert 2013-as fizikai Nobel-díjat kapott, nem okozott meglepetést; a részecske létezése és a 125 giga-elektronvolt (GeV) mért tömege megegyezett az évek közvetett bizonyítékaival. Ez az, amit nem találtak az LHC-ben, ami zavarba hozta a szakértőket. Semmi sem mutatott fel, ami össze tudná egyeztetni a Higgs-tömeget a gravitációhoz kapcsolódó előre jelzett tömegskálával, amely meghaladja a kísérleti elérést 10 000 000 000 000 000 GeV-nél.
“a kérdés az, hogy a kvantummechanikában minden befolyásolja minden mást” – magyarázta Giudice. A szupernehéz gravitációs állapotoknak kvantummechanikusan kell keveredniük a Higgs-bozonnal, hatalmas tényezőkkel járulva hozzá tömegének értékéhez. Mégis valahogy, a Higgs-bozon végül könnyű. Olyan, mintha a tömegét befolyásoló összes óriási tényező — néhány pozitív, mások negatív, de mind a tucatnyi számjegy hosszú — varázslatosan törölték volna, rendkívül apró értéket hagyva maga után. E tényezők valószínűtlenül finomhangolt törlése “gyanúsnak tűnik”-mondta Giudice. “Azt hiszed, nos, valami másnak kell lennie mögötte.”
A szakértők gyakran hasonlítják a finoman hangolt Higgs-tömeget egy ceruzához, amely az ólomcsúcsán áll, és amelyet olyan erős erők löktek meg, mint a légáramok és az asztal rezgései, amelyek valahogy tökéletes egyensúlyt értek el. “Ez nem lehetetlen állapot; rendkívül kicsi a valószínűsége” – mondta Savas Dimopoulos, Stanford. Ha találkozott egy ilyen ceruzával, azt mondta: “először mozgatja a kezét a ceruza felett, hogy lássa, van-e húr, amely a mennyezetről tartja. megnézné a tippet, hogy van-e rágógumi.”
a fizikusok hasonlóan keresték a hierarchia problémájának természetes magyarázatát az 1970-es évek óta, bízva abban, hogy a keresés a természet teljesebb elmélete felé vezet, talán még a “sötét anyag”, a galaxisokat Áthatoló láthatatlan anyag mögött lévő részecskék is. “A természetesség valóban a kutatás vezérmotívuma volt” – mondta Giudice.
az 1980-as évek óta a legnépszerűbb javaslat a szuperszimmetria. Megoldja a hierarchia problémáját azáltal, hogy minden egyes elemi részecskéhez egy még felfedezésre váró ikert posztulál: az elektron esetében egy hipotetikus “selectron”, minden kvark esetében egy “squark” stb. Az ikrek ellentétes kifejezésekkel járulnak hozzá a Higgs-bozon tömegéhez, immunissá téve a szuper nehéz gravitációs részecskék hatásaival szemben (mivel ikreik hatása semmissé teszi őket).
de nem találtak bizonyítékot a szuperszimmetria vagy bármilyen versengő ötlet — mint például a “technicolor” és a “warped extra dimensions” — az LHC első, 2010 és 2013 közötti futamán. Amikor az ütköző 2013 elején leállt a frissítések miatt, anélkül, hogy egyetlen “sparticle” – t vagy a fizika bármely más jelét találta volna a Standard modellen túl, sok szakértő úgy érezte, hogy már nem tudják elkerülni egy éles alternatíva megfontolását. Mi van, ha a Higgs-tömeg, és ennek következtében a természet törvényei természetellenesek? A számítások azt mutatják, hogy ha a Higgs-bozon tömege csak néhányszor nehezebb lenne, és minden más változatlan maradna, a protonok már nem tudnának atomokká összeállni, és nem lennének összetett struktúrák — sem csillagok, sem élőlények. Tehát mi van, ha univerzumunk valóban olyan véletlenül van finomhangolva, mint a hegyén kiegyensúlyozott ceruza, amelyet kozmikus címünkként különítenek el egy örökké habzó “multiverzum” tenger belsejében elképzelhetetlenül hatalmas buborékuniverzum-tömbből, egyszerűen azért, mert az élet ilyen felháborító balesetet igényel?
ezt a multiverzum hipotézist, amely az 1990-es évek vége óta a hierarchia problémájáról folytatott megbeszélések során merült fel, a legtöbb fizikus sivár kilátásnak tekinti. “Csak nem tudom, mit kezdjek vele” – mondta Craig. “Nem tudjuk, mik a szabályok.”A multiverzum más buborékjai, ha léteznek, túlmutatnak a fénykommunikáció határain, örökre korlátozva a multiverzummal kapcsolatos elméleteket arra, amit magányos buborékunkon belül megfigyelhetünk. Mivel nem lehet megmondani, hogy az adatpontunk hol fekszik a multiverzum lehetőségeinek hatalmas spektrumán, nehéz vagy lehetetlenné válik multiverzum alapú érvek összeállítása arról, hogy univerzumunk miért olyan, amilyen. “Nem tudom, hogy mikor fogunk valaha is meggyőződni” – mondta Dine. “Hogyan rendezné? Honnan tudhatnád?”
a Higgs és a Relaxion
Kaplan tavaly nyáron meglátogatta az Öböl területét, hogy együttműködjön Grahammel és Rajendrannal, akiket ismert, mert mindhárman különböző időkben Dimopoulos alatt dolgoztak, aki a szuperszimmetria egyik legfontosabb fejlesztője volt. Az elmúlt évben a trió megosztotta idejét Berkeley és Stanford között — és a különböző kávézók, ebédlőhelyek és fagylaltozók között, amelyek mindkét egyetemen határosak — kicserélve az ötlet “embrionális darabjait”, mondta Graham, és fokozatosan új eredettörténetet dolgozott ki a részecskefizika törvényei számára.
Larry Abbott 1984-es kísérlete alapján arra törekedtek, hogy a Higgs-tömeget fejlődő paraméterként dolgozzák fel, amely dinamikusan “ellazulhat” apró értékére a kozmosz születése során, ahelyett, hogy rögzített, valószínűtlennek tűnő állandóként indulna. “Annak ellenére, hogy hat hónap zsákutcába került, nagyon hülye modellek és nagyon barokk, bonyolult dolgok, végül erre a nagyon egyszerű képre landoltunk” – mondta Kaplan.
modelljükben a Higgs-tömeg egy teret és időt átható hipotetikus mező számértékétől függ: egy axionmezőtől. Ahhoz, hogy elképzeljük, “úgy gondoljuk, hogy a tér egésze ez a 3D matrac”-mondta Dimopoulos. Az érték a mező minden pontján megfelel annak, hogy a matracrugók mennyire vannak összenyomva. Régóta felismerték, hogy ennek a matracnak a létezése-tengelyek formájában fellépő rezgései-két mély rejtélyt oldhatnak meg: Először is, az axionmező megmagyarázná, hogy a protonok és a neutronok közötti legtöbb kölcsönhatás miért fut előre és hátra, megoldva az úgynevezett “erős CP” problémát. A tengelyek pedig sötét anyagot alkothatnak. A hierarchia problémájának megoldása harmadik lenyűgöző eredmény lenne.
az új modell története akkor kezdődik, amikor a kozmosz egy energiával átitatott pont volt. Az axion matrac rendkívül összenyomódott, ami óriásivá tette a Higgs-tömeget. Ahogy az univerzum tágult, a rugók ellazultak, mintha energiájuk az újonnan létrehozott tér rugóin terjedne. Ahogy az energia eloszlott, a Higgs-tömeg is. Amikor a tömeg a jelenlegi értékére esett, egy kapcsolódó változó nullára süllyedt, bekapcsolva a Higgs mezőt, egy molasses-szerű entitást, amely tömeget ad a rajta mozgó részecskéknek, például elektronoknak és kvarkoknak. A hatalmas kvarkok viszont kölcsönhatásba léptek az axion mezővel, gerinceket hozva létre a metaforikus dombon, amelyen az energiája lefelé gördült. A tengelymező beragadt. Ahogy a Higgs-tömeg is.
a Sundrum által a korábbi modellektől való radikális szakításnak nevezett új modell azt mutatja be, hogy a modern tömeghierarchiát hogyan alakíthatta ki a kozmosz születése. “Az a tény, hogy reális értelemben egyenleteket tettek erre, valóban figyelemre méltó” – mondta.
Dimopoulos megjegyezte a modell feltűnő minimalizmusát, amely többnyire előre meghatározott ötleteket alkalmaz. “Az olyan emberek, mint én, akik elég sokat fektettek a hierarchia problémájának ezen más megközelítéseibe, nagyon boldogan meglepődtek, hogy nem kell nagyon messzire nézni” – mondta. “A Standard modell hátsó udvarában ott volt a megoldás. Nagyon okos fiataloknak kellett rájönniük erre.
” ez emeli az axion részvényárfolyamát ” – tette hozzá. A közelmúltban a Seattle-i washingtoni Egyetem Axion Sötét anyag kísérlete elkezdte keresni a sötét anyag tengelyeinek ritka átalakulását fénnyé az erős mágneses mezőkön belül. Most Dimopoulos azt mondta: “még keményebben kell keresnünk, hogy megtaláljuk.”
azonban, mint sok szakértő, Nima Arkani-Hamed az Institute for Advanced Study in Princeton, NJ, megjegyezte, hogy ez a korai napokban ezt a javaslatot. Bár “határozottan okos” -mondta, jelenlegi megvalósítása messze van. Például ahhoz, hogy az axionmező elakadjon a kvarkok által létrehozott gerinceken, ahelyett, hogy elhaladna mellettük, a kozmikus inflációnak sokkal lassabban kellett haladnia, mint a legtöbb kozmológus feltételezte. “Hozzáadunk 10 milliárd éves inflációt” – mondta. “El kell gondolkodnunk azon, hogy az egész kozmológia miért szervezi magát csak azért, hogy ez megtörténjen.”
és még ha fel is fedezik az axiont, ez önmagában nem bizonyítja, hogy ez a “relaxion” — hogy ellazítja a Higgs-tömeg értékét. Ahogy Kaplan Bay Area-i tartózkodása véget ér, ő, Graham és Rajendran ötleteket kezd kidolgozni a modell ezen aspektusának tesztelésére. Végül lehetséges lehet egy axionmező oszcillálása, például annak megállapítása, hogy ez befolyásolja-e a közeli elemi részecskék tömegét a Higgs-tömeg útján. “Látni fogja, hogy az elektron tömege ingadozik” – mondta Graham.
ezek a tesztek a javaslat nem fog megtörténni sok éven át. (A modell nem jósol semmilyen új jelenséget, amelyet az LHC észlelne.) És reálisan, több szakértő szerint, hosszú esélyekkel néz szembe. Annyi okos javaslat kudarcot vallott az évek során, hogy sok fizikus reflexszerűen szkeptikus. Ennek ellenére az érdekes új modell időben optimizmust ad.
“azt hittük, mindenre gondoltunk, és nincs semmi új a nap alatt” – mondta Sundrum. “Ez azt mutatja, hogy az emberek elég okosak, és még mindig van hely az új áttörésekre.”
a szerkesztő megjegyzése: David Kaplan házigazdája Quanta magazin ‘ s elméletben videó sorozat.
ez a cikk újranyomtatásra került Wired.com.