지난 한 해 동안 샌프란시스코 베이 지역에서 협력 해 온 세 명의 물리학 자들은 30 년 이상 자신의 분야를 포위 한 신비에 대한 새로운 해결책을 고안했습니다. 점점 더 강력한 입자 충돌기에 대한 실험을 주도하고 논쟁의 여지가있는 다중 우주 가설을 불러 일으킨이 심오한 퍼즐은 밝은 4 학년 학생들이 어떻게 자석이 지구 전체의 중력에 대항하여 클립 클립을 들어 올릴 수 있는지 물어볼 수 있습니다.
항성과 은하의 움직임에 대한 동요에도 불구하고,중력은 자력과 자연의 다른 미세한 힘보다 수억 수조 배 더 약하다. 이 불균형은 물리학 방정식에서 다른 알려진 입자와 관련된 질량과 힘을 제어하는 2012 년에 발견 된 입자 인 힉스 입자의 질량과 아직 발견되지 않은 중력 상태의 예상 질량 범위 사이의 유사하게 터무니없는 차이로 나타납니다.
유럽의 대형 강입자 충돌기(강입자 충돌기)가 이 터무니없는 질량 계층을 설명하기 위해 이전에 제안한 이론들을 뒷받침하는 증거가 없을 때—매혹적으로 우아한”초대칭”을 포함하여—많은 물리학자들은 자연 법칙의 논리를 의심하게 되었다. 점점 더,그들은 우리의 우주는 단지 자연의 일관된 이론에 대한 탐구에 셀 수없는 다른 가능한 우주—효과적인 막 다른 골목 사이에 임의의,오히려 기괴한 순열이 될 수 있음을 우려하고있다.
이번 달,엘에이치엔은 이전 운영에너지의 거의 두 배에 가까운 속도로 두 번째 실행을 시작하여 계층구조 문제를 해결할 새로운 입자나 현상을 계속 추구했다. 그러나 모퉁이 돌면 새로운 입자가 없을 가능성은 이론 물리학자들이”악몽 같은 시나리오”에 직면하게 만들었다.”그것은 또한 생각을 얻었습니다.
“새로운 아이디어가 발전하는 것은 위기의 순간이다.”
새로운 제안은 앞으로 가능한 방법을 제공합니다. 트리오는”슈퍼 흥분,”데이비드 카플란 말했다,46,볼티모어 존스 홉킨스 대학에서 이론적 입자 물리학,메릴랜드.,스탠포드 대학의 피터 그레이엄(35 세)과 캘리포니아 대학 버클리의 수르 지트 라 젠드 란(32 세)과 함께 웨스트 코스트 안식년 동안 모델을 개발 한 사람.
그들의 해결책은 중력과 다른 근본적인 힘 사이의 계층 구조를 추적하여 우주의 폭발적인 탄생으로 되돌아 가고,그들의 모델에서 알 수 있듯이,두 변수가 갑자기 교착 상태에 빠졌다. 그 순간,”액시온”이라고 불리는 가상의 입자가 힉스 입자를 중력의 규모보다 훨씬 낮은 현재의 질량으로 고정 시켰습니다. 액시온은 1977 년부터 이론 방정식에 등장했으며 존재할 가능성이 있다고 여겨진다. 그러나 지금까지 아무도 액시온이 트리오가 힉스 질량의 가치를”완화”함으로써 계층 문제를 해결하면서”이완”이라고 부르는 것이 될 수 있다는 것을 눈치 채지 못했습니다.
“그것은 매우,매우 영리한 아이디어,”라만 선 드럼,그것을 개발에 참여하지 않은 대학 공원에서 메릴랜드 대학의 이론적 입자 물리학 말했다. “아마도 그 중 일부 버전이 세계가 작동하는 방식 일 것입니다.”
트리오의 논문이 온라인에 등장한 지 몇 주 만에,그것은 약점을 수정하고 다른 방향으로 기본 전제를 취하기를 열망하는 연구원들로 가득 찬”새로운 놀이터”를 열었습니다.,산타 바바라 캘리포니아 대학의 이론 물리학 자 인 나다니엘 크레이그는 말했다.
“이것은 아주 간단한 가능성처럼 보인다”고 라젠드란은 말했다. “우리는 여기서 미친 짓을하기 위해 머리에 서 있지 않습니다. 그것은 단지 일하고 싶어합니다.”
그러나 몇몇 전문가들이 지적했듯이,현재의 형태로는 이 아이디어에는 신중하게 고려해야 할 단점이 있다. 이 조사에서도 살아남더라도 실험적으로 테스트하는 데 10 년 이상이 걸릴 수 있습니다. 당분간 전문가들은 이완이 긴 견해를 떨쳐 버리고 일부 물리학 자들이 계층 문제를 새로운 시각으로 보도록 장려하고 있다고 말했다. 교훈,마이클 다인 말했다,캘리포니아 대학의 물리학,산타 크루즈,및 계층 구조 문제의 베테랑,”그냥 포기하고 우리가 그것을 알아낼 수 없을 것이라고 가정하지.”
부 자연스러운 균형
입자 물리학의”표준 모델”을 완성하고 피터 힉스와 프란을 얻은 힉스 보손의 2012 년 발견을 둘러싼 모든 환락에 대해 잉글러트 2013 년 노벨 물리학상,그것은 작은 놀라움으로 다가왔다;입자의 존재와 125 기가 전자 볼트의 측정 된 질량은 수년간의 간접적 인 증거에 동의했다. 그것은 전문가 당황 왼쪽 엘 리치콜에서 찾을 수 없습니다 무엇. 힉스 질량을 중력과 관련된 예측 된 질량 규모와 조화시킬 수있는 것은 없었습니다.이 질량은 10,000,000,000,000,000,000 에서 실험적 범위를 넘어섰습니다.
“문제는 양자 역학에서 모든 것이 다른 모든 것에 영향을 미친다는 것”이라고 주디체는 설명했다. 초중력 상태들은 힉스 보손과 기계적으로 양자와 어울려 질량의 가치에 큰 요소를 기여해야 한다. 그러나 어떻게 든,힉스 보손은 경량으로 끝납니다. 그것은 마치 그것의 질량에 영향을 미치는 모든 거대한 요인-일부 긍정적 인,다른 부정적인,하지만 숫자의 모든 수십 긴-마술 취소 한,뒤에 매우 작은 값을 떠나. 이러한 요인들의 미세 조정 된 취소는”의심스러운 것”이라고 주디체는 말했다. “당신은 그 뒤에 다른 것이 있어야한다고 생각합니다.”
전문가들은 종종 미세 조정 된 힉스 질량을 리드 팁에 서있는 연필과 비교하고,이 방법을 슬쩍 찔렀고,기류와 테이블 진동과 같은 강력한 힘에 의해 어떻게 든 완벽한 균형을 이루었습니다. “그것은 불가능의 상태가 아니다;그것은 매우 작은 가능성의 상태입니다,”스탠포드의 사바스 디모 풀 로스는 말했다. 만약 당신이 그런 연필을 건너 온,그는 말했다,”당신은 먼저 연필 위에 손을 이동 천장에서 그것을 들고 어떤 문자열이 있는지 확인합니다. 당신은 껌이 있는지 확인하기 위해 팁을 볼 것이다.”
물리학자들은 마찬가지로 1970 년대부터 계층구조 문제에 대한 자연스러운 설명을 추구해 왔으며,이 연구가 그들을 자연의 더 완전한 이론으로 이끌 것이며,아마도 은하계에 스며드는 보이지 않는 물질인”암흑 물질”뒤에 있는 입자들을 만들어 낼 것이라고 확신했다. “자연 스러움은 실제로 그 연구의 주악상이었습니다.”라고 주디체는 말했다.
1980 년대 이후 가장 인기있는 제안은 초대칭이었다. 그것은 각 기본 입자에 대해 아직 발견 될 쌍둥이를 가정하여 계층 구조 문제를 해결합니다: 전자의 경우,각 쿼크,”쿼크”등에 대한 가상의”셀렉트 론”이 있습니다. 쌍둥이는 힉스 입자의 질량에 반대되는 용어를 기여하여 초 중량 중력 입자의 효과에 면역이됩니다(쌍둥이의 효과에 의해 무효화되기 때문에).
그러나 초대칭이나”테크니컬러”,”뒤틀린 추가 차원”과 같은 경쟁적인 아이디어에 대한 증거는 2010 년부터 2013 년까지의 첫 번째 실행 중에 나타나지 않았다. 충돌기가 2013 년 초에 단일”스파티클”또는 표준 모델을 넘어서는 물리학의 다른 징후를 발견하지 않고 업그레이드를 위해 종료되었을 때 많은 전문가들은 더 이상 뚜렷한 대안을 고민하는 것을 피할 수 없다고 느꼈습니다. 만약 힉스 질량과 암시적으로 자연의 법칙이 부자연스럽다면 어떨까요? 계산에 따르면 힉스 입자의 질량이 단지 몇 배 더 무겁고 다른 모든 것이 동일하게 유지된다면 양성자는 더 이상 원자로 조립 될 수 없으며 복잡한 구조(별이나 생명체)가 없을 것입니다. 그래서,만약 우리의 우주 정말 실수로 미세 조정 연필 그것의 끝에 균형으로,우리의 우주 주소 영원히 거품을”다중 우주”바다 안에 거품 우주의 상상도 할 수 없을 광대 한 배열에서 선발 단순히 생명 존재 같은 터무니 없는 사고를 요구 하기 때문에?
1990 년대 후반부터 계층 문제에 대한 논의를 통해 어렴풋이 나타난 이 다중우주 가설은 대부분의 물리학자들에 의해 암울한 전망으로 여겨진다. “나는 그것으로 무엇을 해야할지 모르겠다”고 크레이그는 말했다. “우리는 규칙이 무엇인지 모른다.”다중우주의 다른 거품들이 존재한다면,빛 통신의 경계를 넘어서서,다중우주에 대한 이론들을 우리가 외로운 거품 안에서 관찰할 수 있는 것으로 영원히 제한한다. 우리의 데이터 포인트가 다중 우주에서 가능성의 광대 한 스펙트럼에 어디에 있는지 알 수있는 방법이 없기 때문에,왜 우리 우주가 그 방식인지에 대한 다중 우주 기반의 논증을 구성하는 것이 어렵거나 불가능 해집니다. “나는 우리가 어느 시점에서 확신 할 것인지 모른다”고 다인은 말했다. “당신은 그것을 어떻게 해결할 것입니까? 너는 어떻게 알는가텐데?”
힉스와 이완
카플란은 지난 여름 그레이엄과 라젠드란과 협력하기 위해 베이 지역을 방문했는데,이 세 사람은 모두 초대칭의 핵심 개발자 중 한 명인 디모풀로스 밑에서 여러 번 일했기 때문에 알고 있었다. 지난 한 해 동안 트리오는 버클리와 스탠포드 사이에 자신의 시간을 분할—다양한 커피 숍,점심 장소와 아이스크림 가게가 모두 캠퍼스 경계—아이디어의”배아 비트를 교환,”그레이엄은 말했다,점차 입자 물리학의 법칙에 대한 새로운 기원 이야기를 개발.
1984 년 래리 애보트가 물리학의 다른 자연성 문제를 해결하려는 시도에서 영감을 얻어,그들은 힉스 질량을 진화하는 매개 변수,즉 우주의 탄생 동안 작은 값으로 동적으로”이완”할 수있는 매개 변수로 재구성하려고 노력했습니다. 카플란은”6 개월 동안 막 다른 골목과 정말 바보 같은 모델과 매우 바로크적이고 복잡한 일이 걸렸지 만,우리는이 매우 단순한 그림에 착륙했습니다.”라고 말했다.
그들의 모델에서 힉스 질량은 공간과 시간에 침투하는 가상의 필드 인 액시온 필드의 수치 값에 따라 달라집니다. 그것을 상상하기 위해,”우리는 공간의 총체가이 3 차원 매트리스라고 생각합니다.”라고 디모 풀 로스는 말했다. 필드의 각 지점의 값은 매트리스 스프링이 얼마나 압축되었는지에 해당합니다. 이 매트리스의 존재와 액시온 형태의 진동이 두 가지 깊은 신비를 해결할 수 있다는 것이 오랫동안 인식되어 왔습니다: 첫째,액시온 장은 왜 양성자와 중성자 사이의 대부분의 상호 작용이 전진 및 후진 모두에서 실행되는지 설명하여”강한 핵융합”문제로 알려진 것을 해결합니다. 그리고 액시온은 암흑 물질을 만들 수 있습니다. 계층 구조 문제를 해결하는 것은 세 번째 인상적인 성과가 될 것입니다.
새로운 모델의 이야기는 우주가 에너지를 주입 한 점이었을 때 시작됩니다. 액시온 매트리스는 극도로 압축되어 힉스 질량을 엄청나게 만들었습니다. 우주가 팽창함에 따라,샘들은 마치 그들의 에너지가 새로 창조된 공간의 샘들을 통해 퍼지는 것처럼 이완되었다. 에너지가 소산되면서 힉스 질량도 소산되었습니다. 질량이 현재 값으로 떨어졌을 때,관련 변수가 0 을 넘어서면서 힉스 필드를 전환했습니다.이 변수는 전자와 쿼크와 같이 그것을 통해 움직이는 입자에 질량을 부여하는 몰 같은 실체입니다. 거대한 쿼크들이 액시온 들판과 차례로 상호작용하며,은유적 언덕에 그 에너지가 흘러내렸다는 능선을 만들었다. 액시온 필드가 막혔습니다. 그리고 힉스 질량도 마찬가지였습니다.
선드럼이 과거 모델들로부터의 급진적인 단절이라고 불렀던 것에서,새로운 것은 우주의 탄생에 의해 현대의 대량 계층이 어떻게 조각되었는지를 보여준다. “그들은 현실적인 의미에서이 방정식을 넣어 한 사실은 정말 놀라운,”그는 말했다.
디모풀로스는 이 모델의 눈에 띄는 미니멀리즘에 대해 언급했는데,이 모델은 대부분 미리 정립된 아이디어를 사용한다. “계층 구조 문제에 대한 이러한 다른 접근법에 상당히 투자 한 저와 같은 사람들은 멀리 볼 필요가 없다는 사실에 매우 행복하게 놀랐습니다.”라고 그는 말했습니다. “표준 모델의 뒷마당에는 솔루션이있었습니다. 그 사실을 깨닫는 데 매우 영리한 젊은이들이 필요했습니다.
“이 액시온의 주가를 상승,”그는 덧붙였다. 최근 시애틀 워싱턴 대학의 액시온 암흑 물질 실험은 암흑 물질 액시온이 강한 자기장 내부의 빛으로 희귀하게 전환되는 것을 찾기 시작했다. 디모풀로스는”우리는 그것을 찾기가 더 어려워 보일 것입니다.”
그러나,많은 전문가처럼,프린스턴,뉴저지에있는 고급 연구 연구소의 니마 아르 카니-하메드,그것은이 제안에 대한 초기 것을 지적했다. “그것은 확실히 영리하다”고 그는 말했다,현재의 구현은 억지이다. 예를 들어,액시온 장이 쿼크를 지나서 굴러 가지 않고 생성 된 능선에 붙어 있기 위해서는 우주의 팽창이 대부분의 우주 론자들이 가정 한 것보다 훨씬 더 느리게 진행되었을 것입니다. “당신은 100 억 년의 인플레이션을 더한다”고 그는 말했다. “당신은 왜 모든 우주론이 이런 일이 일어나도록 스스로를 준비하는지 궁금해해야합니다.”
그리고 액시온이 발견 되더라도,그것만으로는 그것이 힉스 질량의 값을 이완시키는”이완”이라는 것을 증명하지 못할 것입니다. 카플란의 베이 지역에서의 체류가 끝나갈 무렵,그와 그레이엄,라젠드란은 그 모델의 측면을 테스트하는 방법에 대한 아이디어를 개발하기 시작했습니다. 예를 들어,이것이 힉스 질량을 통해 근처의 기본 입자의 질량에 영향을 미치는지 확인하기 위해 액시온 필드를 진동시키는 것이 결국 가능할 수 있습니다. “당신은 전자 질량이 흔들리는 것을 볼 것”이라고 그레이엄은 말했다.
제안의 이러한 테스트는 몇 년 동안 발생하지 않습니다. (이 모델은 엘지 하이콘이 감지 할 새로운 현상을 예측하지 않습니다.)그리고 현실적으로,몇몇 전문가들은 말했다,그것은 긴 확률에 직면. 수년에 걸쳐 많은 영리한 제안이 실패하여 많은 물리학 자들이 반사적으로 회의적입니다. 그럼에도 불구하고 흥미로운 새로운 모델은 적시에 낙관론을 제공하고 있습니다.
“우리는 모든 것을 생각했고 태양 아래 새로운 것은 없다고 생각했다”고 썬드럼은 말했다. “이것이 보여주는 것은 인간이 꽤 똑똑하고 여전히 새로운 돌파구의 여지가 있다는 것입니다.”
편집자 주:데이비드 카플란은 콴타 잡지의 이론 비디오 시리즈를 개최합니다.
이 기사는 위에 증쇄되었다 Wired.com.