過去1年間サンフランシスコ・ベイエリアで共同研究を行ってきた3人の物理学者が、30年以上にわた ますます強力な粒子コライダーで実験を推進し、物議を醸す多元宇宙仮説を生み出したこの深遠なパズルは、明るい四年生が尋ねるかもしれない何かになります：どのように磁石が惑星全体の引力に対してペーパークリップを持ち上げることができますか？
星や銀河の動きに対するその揺れにもかかわらず、重力は磁気や他の微視的な自然の力よりも数億兆兆倍弱い。 この視差は、2012年に発見されたヒッグス粒子の質量と、他の既知の粒子に関連する質量と力を制御する粒子と、まだ発見されていない物質の重力状態の予想される質量範囲との間の同様に不条理な違いとして、物理方程式に現れている。
ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）からの証拠がなく、魅惑的に優雅な”超対称性”を含む、この馬鹿げた質量階層を説明するために以前に提案された理論のいずれかを支持するために、多くの物理学者は自然の法則の論理そのものを疑うようになった。 ますます、彼らは私たちの宇宙が無数の他の可能な宇宙の間でランダムで、むしろ奇妙な順列であるかもしれないことを心配しています—自然のコヒーレント理論の探求における効果的な行き止まりです。
今月、LHCは前回の運転エネルギーのほぼ2倍で待望の2回目の走行を開始し、階層の問題を解決する新しい粒子や現象の追求を継続しました。 しかし、角を曲がったところに新しい粒子が存在しないという非常に現実的な可能性は、理論物理学者が彼らの”悪夢のシナリオ”に直面しています。”それはまた、彼らが考えて得ています。
「新しいアイデアが開発されるのは危機の瞬間です」と、Lhcを収容するジュネーブ近郊のCERN研究所の理論素粒子物理学者、Gian Giudiceは語った。
新しい提案は可能な前進を提供する。 このトリオは「超興奮している」と、メリーランド州ボルチモアのジョンズ・ホプキンス大学の理論素粒子物理学者であるDavid Kaplan氏（46）は述べています。 スタンフォード大学のピーター-グラハム（35）とカリフォルニア大学バークレー校のSurjeet Rajendran（32）と西海岸のサバティカル中にモデルを開発した。
彼らの解は、重力と他の基本的な力との間の階層を、宇宙の爆発的な誕生に遡り、彼らのモデルが示唆している、並行して進化していた二つの変数が突然 その瞬間、”axion”と呼ばれる仮説的な粒子は、ヒッグス粒子を重力のスケールよりもはるかに低い現在の質量に閉じ込めました。 アクシオンは1977年から理論方程式に登場しており、存在する可能性が高いと考えられている。 しかし、今まで誰も、axionsがトリオが”relaxions”と呼ぶものであり、ヒッグス質量の値を”緩和”することによって階層問題を解決することに気づいていませんでした。
「これは非常に、非常に巧妙なアイデアだ」と、それの開発に関与していなかったメリーランド大学カレッジパークの理論素粒子物理学者、ラマン・サンドラムは言 “おそらくそれのいくつかのバージョンは、世界が動作する方法です。”
トリオの論文がオンラインで公開されてから数週間で、その弱点を修正し、その基本的な前提を異なる方向に取ることを熱望している研究者で構成された”新しい遊び場”を開いた、とカリフォルニア大学サンタバーバラ校の理論物理学者であるナサニエル-クレイグは述べている。
「これは非常に単純な可能性のように思えます」とRajendranは言いました。 “私たちはここで狂った何かをするために頭の上に立っていません。 それはちょうど働きたいと思う。”
しかし、何人かの専門家が指摘したように、現在の形では、このアイデアには慎重に検討する必要がある欠点があります。 そして、たとえそれがこの精査を生き延びたとしても、実験的にテストするのに10年以上かかる可能性があります。 当分の間、専門家は、relaxionはlongheld見解を揺さぶり、いくつかの物理学者に新しい光の中で階層問題を見るよう奨励していると述べた。 この教訓は、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の物理学者であり、階層問題のベテランであるMichael Dine氏は、「あきらめて、それを理解できないと仮定することではない」と述べています。”
不自然なバランス
素粒子物理学の”標準モデル”を完成させ、2013年のノーベル物理学賞をPeter HiggsとFrançois Englertに獲得したヒッグス粒子の2012年の発見を取り巻くすべてのお祭り騒ぎのために、それは少し驚きとして来た;粒子の存在と測定された質量125ギガ電子ボルト(GeV)は、長年の間接的な証拠と一致した。 専門家が困惑したのは、LHCでは見つからなかったものです。 ヒッグスの質量を重力に関連する予測された質量スケールと調和させることができるものは何も現れず、10,000,000,000,000,000,000GeVの実験的な範囲を超えている。
「問題は量子力学では、すべてが他のすべてに影響を与えるということです」とGiudice氏は説明した。 超重重力状態は量子力学的にヒッグス粒子と混ざり合い、その質量の価値に大きな要因を寄与するはずである。 しかし、どういうわけか、ヒッグス粒子は軽量になります。 それは、その質量に影響を与えるすべての巨大な要因—いくつかの正、他の負、しかし数十桁の長さ—が魔法のようにキャンセルされ、非常に小さな値を残 これらの要因のありそうもない微調整されたキャンセルは、”疑わしい”とGiudice氏は述べた。 “あなたは、まあ、それの後ろに何か他のものがなければならないと思います。”
専門家はしばしば、細かく調整されたヒッグスの質量を、鉛の先端に立っている鉛筆と比較し、このようにして、気流やテーブル振動のような強力な力によっ 「それは不可能な状態ではなく、非常に小さな可能性の状態です」とスタンフォード大学のSavas Dimopoulos氏は述べています。 あなたがそのような鉛筆に出会った場合、彼は言った、”あなたは最初に天井からそれを保持している文字列があったかどうかを確認するために鉛筆の上に手を動かすだろう。 あなたはチューインガムがあるかどうかを確認するために先端を見ていきます。”
物理学者は同様に、1970年代以来、階層問題の自然な説明を求めており、この検索が彼らをより完全な自然理論に導き、おそらく銀河に浸透する目に見えない物質である”ダークマター”の背後にある粒子を上げることさえできると確信しています。 「自然さは本当にその研究のライトモチーフでした」とGiudiceは言いました。
1980年代以来、最も人気のある提案は超対称性であった。 これは、素粒子ごとにまだ発見されていない双子を仮定することによって階層問題を解決します: 電子については、仮想的な”selectron”、各クォークについては、”squark”など。 双子はヒッグス粒子の質量とは反対の項に寄与し、超重重力粒子の影響を受けないようにします（双子の影響によって無効にされるため）。
しかし、2010年から2013年までのLHCの最初の実行中に、超対称性や競合するアイデア（「テクニカラー」や「歪んだ余分な次元」など）の証拠は現れませんでした。 2013年初頭にコライダーがアップグレードのためにシャットダウンしたとき、単一の”スパーティクル”や標準モデルを超えた物理学の他の兆候を発見することなく、多くの専門家は、もはやスタークの代替案を検討することを避けることができないと感じました。 もしヒッグスの質量、そして含意によって自然の法則が不自然であればどうでしょうか？ 計算は、ヒッグス粒子の質量がわずか数倍重く、他のすべてが同じままであれば、陽子はもはや原子に集まることができず、複雑な構造—星や生き物はな だから、私たちの宇宙は本当にその先端にバランスの取れた鉛筆のように誤って微調整され、永遠に泡立つ”多元宇宙”の海の中の想像もできないほど広
この多元宇宙仮説は、1990年代後半から階層問題の議論の上に迫っており、ほとんどの物理学者によって暗い見通しと見なされています。 “私はちょうどそれをどうするかわからない、”クレイグは言った。 “私たちはルールが何であるか分からない。”多元宇宙の他の泡は、もし存在するならば、光通信の境界を超えて存在し、多元宇宙に関する理論を私たちの孤独な泡の中から観察できるものに永遠 私たちのデータポイントが多元宇宙の広大な可能性の範囲にどこにあるのかを知る方法がないため、私たちの宇宙がなぜそうであるのかについて多元宇宙ベースの議論を構築することは困難または不可能になります。 “私たちがどの時点で確信するかはわかりません”とダインは言った。 「どうやって解決しますか？ どうして分かる?”
ヒッグスとリラシオン
カプランは昨年の夏にベイエリアを訪れ、グラハムとラジェンドランと協力した。 昨年、トリオはバークレーとスタンフォードの間で時間を分割し、両方のキャンパスに隣接する様々なコーヒーショップ、ランチスポット、アイスクリームパーラーは、”アイデアの胚のビット”を交換し、徐々に素粒子物理学の法則のための新しい起源の物語を開発したとグラハムは言いました。
1984年にラリー-アボットが物理学における異なる自然性の問題に対処しようと試みたことに触発され、彼らはヒッグス質量を進化するパラメータとして再構築しようとした。 “それは行き止まりと本当に愚かなモデルと非常にバロック的な、複雑なものの半年を取ったが、我々はこの非常に単純な絵に着陸してしまった、”カプラン
彼らのモデルでは、ヒッグスの質量は、空間と時間に浸透する仮説的な場の数値に依存します：アクシオン場。 それを描くために、”私たちは空間の全体をこの3-Dマットレスであると考えています”とDimopoulosは言いました。 フィールド内の各ポイントの値は、マットレススプリングがどのように圧縮されているかに対応します。 このマットレスの存在と軸線の形での振動は、2つの深い謎を解決することができることが長い間認識されてきました: まず、アクシオン場は、陽子と中性子の間のほとんどの相互作用が前方と後方の両方を走る理由を説明し、「強いCP」問題として知られているものを解 アクシオンは暗黒物質を構成する可能性があります。 階層の問題を解決することは、第三の印象的な成果になります。
新しいモデルの物語は、宇宙がエネルギー注入されたドットであったときに始まります。 アクシオンマットレスは非常に圧縮されていたため、ヒッグスの質量は巨大になった。 宇宙が拡大するにつれて、泉は新しく創造された空間の泉を通ってエネルギーが広がっているかのようにリラックスしました。 エネルギーが消散するにつれて、ヒッグスの質量も消散しました。 質量がその現在の値に落ちたとき、それは関連する変数がゼロを過ぎて突入する原因となり、ヒッグス場、電子やクォークのようなそれを通って移動する粒子に質量を与えるmolassesのような実体をオンにしました。 巨大なクォークはアクシオン場と相互作用し、そのエネルギーが転がり落ちていた比喩的な丘に尾根を作り出しました。 アクシオン-フィールドが動けなくなった そしてヒッグスの質量もそうでした。
サンドラムが過去のモデルからの急進的な脱却と呼んだものの中で、新しいものは、現代の質量階層が宇宙の誕生によってどのように彫刻されたかを示している。 「彼らが現実的な意味でこれに方程式を置いたという事実は本当に驚くべきことです」と彼は言いました。
Dimopoulosは、主に事前に確立されたアイデアを採用したモデルの印象的なミニマリズムについて述べました。 「階層問題に対するこれらの他のアプローチにかなり投資した私のような人々は、あなたが非常に遠くを見る必要がないことに非常に喜んで驚いてい 「標準モデルの裏庭には、解決策がありました。 それを実現するためには非常に賢い若者が必要でした。
「これはaxionの株価を上昇させる」と彼は付け加えた。 最近、シアトルのワシントン大学でのAxion Dark Matter実験は、暗黒物質axionの強磁場内の光へのまれな変換を探し始めました。 今、Dimopoulosは言った、”我々はそれを見つけるためにさらに難しく見えるべきです。”
しかし、多くの専門家と同様に、プリンストン高等研究所のNima Arkani-Hamedは、この提案の初期段階であると指摘した。 “それは間違いなく賢い”と彼は言ったが、現在の実装はこじつけである。 例えば、アクシオンフィールドがクォークによって作られた尾根に立ち往生しているのではなく、それらを過ぎて転がるためには、宇宙膨張は、ほとんどの宇宙論者が想定しているよりもはるかにゆっくりと進行していなければならない。 “あなたはインフレの10億年を追加します”と彼は言いました。 “あなたは宇宙論のすべてがこれを実現するためだけに自分自身を配置する理由を疑問に思う必要があります。”
そして、axionが発見されたとしても、それだけではそれが”relaxion”であることを証明することはできません—それはヒッグスの質量の値を緩和します。 ベイエリアでのカプランの滞在がダウン風として、彼、グラハムとRajendranは、彼らのモデルのその側面をテストする方法のためのアイデアを開発し始めて 最終的には、例えば、ヒッグス質量を介して、これが近くの素粒子の質量に影響を与えるかどうかを確認するために、axion場を振動させることが可能であ 「あなたは電子質量が揺れるのを見るでしょう」とGrahamは言いました。
提案のこれらのテストは何年も起こらないでしょう。 （このモデルは、LHCが検出する新しい現象を予測していません。）そして、現実的には、いくつかの専門家は、それが長いオッズに直面している、と述べました。 非常に多くの巧妙な提案は、多くの物理学者が反射的に懐疑的であることを長年にわたって失敗してきました。 それでも、魅力的な新しいモデルは楽観主義の時機を得た線量を提供している。
「我々は全てを考えたと思っていたし、太陽の下には新しいものは何もなかった」とSundrumは語った。 “これが示すことは、人間はかなりスマートであり、新しいブレークスルーの余地がまだあるということです。”
編集者注：David KaplanはQuanta MagazineのIn Theoryビデオシリーズをホストしています。
この記事は転載されましたWired.com