Tre fysikere som har samarbeidet I San Francisco Bay Area det siste året har utviklet en ny løsning på et mysterium som har belejret sitt felt i mer enn 30 år. Dette dype puslespillet, som har drevet eksperimenter på stadig kraftigere partikkelkollidere og gitt opphav til den kontroversielle multiversehypotesen, utgjør noe en lys fjerdeklassing kan spørre: Hvordan kan en magnet løfte en binders mot gravitasjonskraften på hele planeten?
til Tross for sin sving over bevegelsen av stjerner og galakser, er tyngdekraften hundrevis av millioner trillioner trillioner ganger svakere enn magnetisme og de andre mikroskopiske naturkreftene. Denne forskjellen viser seg i fysikkligninger som en tilsvarende absurd forskjell mellom Massen Av Higgs boson, en partikkel oppdaget i 2012 som styrer massene og kreftene forbundet med de andre kjente partiklene, og det forventede massespekteret av uoppdagede gravitasjonstilstander av materie.
i fravær Av bevis Fra Europas Large Hadron Collider (LHC) som støtter noen av teoriene som tidligere ble foreslått for å forklare dette preposterøse massehierarkiet — inkludert den forførende elegante «supersymmetri» – har mange fysikere kommet til å tvile på selve logikken i naturens lover. I økende grad bekymrer de seg for at vårt univers bare kan være en tilfeldig, ganske bisarr permutasjon blant utallige andre mulige universer – en effektiv blindgyde i jakten på en sammenhengende naturteori.
DENNE måneden lanserte LHC sin etterlengtede andre runde på nesten dobbelt sin tidligere driftsenergi, og fortsatte jakten på nye partikler eller fenomener som ville løse hierarkiproblemet. Men den svært reelle muligheten for at ingen nye partikler ligger rundt hjørnet, har forlatt teoretiske fysikere som står overfor deres » marerittscenario.»Det har også fått dem til å tenke.
«det er i krisetider at nye ideer utvikler seg,» sa Gian Giudice, en teoretisk partikkelfysiker VED cern-laboratoriet i Nærheten Av Geneve, som huser LHC.
det nye forslaget gir en mulig vei fremover. Trioen er «super spent,» Sa David Kaplan, 46, en teoretisk partikkelfysiker Fra Johns Hopkins University I Baltimore, Md., som utviklet modellen under En West Coast sabbatsår Med Peter Graham, 35, Av Stanford University og Surjeet Rajendran, 32, Ved University Of California, Berkeley.
deres løsning sporer hierarkiet mellom tyngdekraften og de andre grunnleggende kreftene tilbake til kosmos eksplosive fødsel, da deres modell antyder at to variabler som utviklet seg i tandem plutselig døde. I det øyeblikket låste en hypotetisk partikkel Kalt «axion» Higgs bosonet i sin nåværende masse, langt under tyngdekraften. Axion har dukket opp i teoretiske ligninger siden 1977 og anses sannsynlig å eksistere. Men ingen, før nå, la merke til at axions kunne være hva trioen kaller «relaxions», løse hierarkiproblemet ved å «slappe av» Verdien Av Higgs-massen.
» Det er en veldig, veldig smart ide, » sa Raman Sundrum, en teoretisk partikkelfysiker ved University Of Maryland I College Park som ikke var involvert i å utvikle den. «Muligens er en versjon av det slik verden fungerer.»
i ukene siden trioens papir dukket opp på nettet, har det åpnet «en ny lekeplass» befolket med forskere som er ivrige etter å revidere svakhetene og ta sin grunnleggende premiss i forskjellige retninger, Sa Nathaniel Craig, en teoretisk fysiker ved University Of California, Santa Barbara.
«Dette virker bare som en ganske enkel mulighet,» Sa Rajendran. «Vi står ikke på hodet for å gjøre noe gal her. Den vil bare jobbe.»
men som flere eksperter bemerket, har ideen i sin nåværende form mangler som må vurderes nøye. Og selv om det overlever denne granskingen, kan det ta mer enn et tiår å teste eksperimentelt. For tiden sa eksperter at relaxion rister opp lengeholdte synspunkter og oppfordrer noen fysikere til å se hierarkiproblemet i et nytt lys. Leksjonen, Sa Michael Dine, en fysiker ved University Of California, Santa Cruz, og en veteran av hierarkiproblemet, er «ikke å bare gi opp og anta at vi ikke vil kunne finne ut det.»
En Unaturlig Balanse
for alle revelry rundt 2012 oppdagelsen Av Higgs boson, som fullførte «Standardmodellen» av partikkelfysikk og tjente Peter Higgs Og Franç Englert 2013 Nobelprisen i Fysikk, kom det som liten overraskelse; partikkelens eksistens og målt masse på 125 giga-elektron volt (GeV) avtalt med år med indirekte bevis. Det er det SOM ikke ble funnet på LHC som forlot eksperter forvirret. Ingenting viste seg som kunne forene Higgs-massen med den forutsagte masseskalaen forbundet med tyngdekraften, som ligger utenfor eksperimentell rekkevidde ved 10.000.000.000.000.000.000 GeV.
«problemet er at i kvantemekanikk påvirker alt alt annet,» Forklarte Giudice. De supertunge gravitasjonstilstandene skal blande kvantemekanisk med Higgs boson, noe som bidrar til store faktorer til verdien av dens masse. Likevel Ender Higgs boson på en eller annen måte lett. Det er som om alle de enorme faktorer som påvirker dens masse — noen positive, andre negative, men alle dusinvis av sifre lang — har magisk kansellert ut, etterlot en usedvanlig liten verdi bak. Den usannsynlig finjusterte kanselleringen av disse faktorene virker «mistenkelig», Sa Giudice. «Du tror, vel, det må være noe annet bak det.»
Eksperter sammenligner ofte Den finstemte Higgs-massen med en blyant som står på blyantspissen, dyttet på denne måten og det av kraftige krefter som luftstrømmer og bordvibrasjoner som på en eller annen måte har truffet en perfekt balanse. «Det er ikke en tilstand av umulighet; det er en tilstand av ekstremt liten sannsynlighet,» Sa Savas Dimopoulos Fra Stanford. Hvis du kom over en slik blyant, sa han: «du ville først flytte hånden over blyanten for å se om det var noen streng som holdt den fra taket . du vil se på tipset for å se om det er tyggegummi.»
Fysikere har på samme måte søkt en naturlig forklaring på hierarkiproblemet siden 1970-tallet, trygg på at søket ville føre dem mot en mer fullstendig naturteori, kanskje til og med å skru opp partiklene bak «mørk materie», den usynlige substansen som gjennomsyrer galakser. «Naturlighet har virkelig vært ledemotivet til den forskningen,» Sa Giudice.
siden 1980-tallet har det mest populære forslaget vært supersymmetri. Det løser hierarkiet problemet ved å postulere en ennå-å-bli-oppdaget tvilling for hver elementær partikkel: for elektronen, en hypotetisk «selectron», for hver kvark, en «squark» og så videre. Tvillinger bidrar motsatte vilkår Til Massen Av Higgs boson, noe som gjør Det immun mot effektene av supertunge gravitasjonspartikler (siden de er nullifisert av effekten av tvillingene deres).
Men ingen bevis for supersymmetri eller for konkurrerende ideer — som «technicolor» og «warped extra dimensions» — dukket opp under FØRSTE runde AV LHC fra 2010 til 2013. Når collider slått av for oppgraderinger tidlig i 2013 uten å ha funnet en enkelt «sparticle» eller et annet tegn på fysikk utover Standardmodellen, følte mange eksperter at de ikke lenger kunne unngå å vurdere et sterkt alternativ. Hva om Higgs-massen, og underforstått naturlovene, er unaturlig? Beregninger viser at hvis Massen Av Higgs boson var bare noen få ganger tyngre og alt annet forblir det samme, kunne protoner ikke lenger samle seg i atomer — og det ville ikke være noen komplekse strukturer – ingen stjerner eller levende vesener. Så, hva om vårt univers virkelig er så tilfeldigvis finjustert som en blyant balansert på spissen, utpekt som vår kosmiske adresse fra et ufattelig stort utvalg av bobleuniverser inne i et evig skummende» multiverse » sjø, bare fordi livet krever en slik uhyrlig ulykke å eksistere?
denne multiversehypotesen, som har ruvet over diskusjoner om hierarkiproblemet siden slutten av 1990-tallet, blir sett på som et dystert prospekt av de fleste fysikere. «Jeg vet bare ikke hva jeg skal gjøre med det,» Sa Craig. «Vi vet ikke hva reglene er.»Andre bobler av multiverse, hvis de eksisterer, ligger utenfor grensene for lyskommunikasjon, for alltid begrenser teorier om multiverse til hva vi kan observere fra vår ensomme boble. Med ingen måte å fortelle hvor vårt datapunkt ligger på det store spekteret av muligheter i en multiverse, blir det vanskelig eller umulig å konstruere multiverse-baserte argumenter om hvorfor vårt univers er slik det er. «Jeg vet ikke på hvilket tidspunkt vi noen gang ville bli overbevist,» Sa Dine. «Hvordan ville du avgjøre det? Hvordan vet du det?»
Higgs Og Relaxion
Kaplan besøkte Bay Area i fjor sommer for å samarbeide med Graham og Rajendran, som han visste fordi Alle tre hadde jobbet på ulike tider Under Dimopoulos, som var en av de viktigste utviklerne av supersymmetri. I løpet av det siste året delte trioen sin tid mellom Berkeley og Stanford — og de ulike kaffebarer, lunsjsteder og iskrembarer som grenser til begge campusene-utveksler «embryonale biter av ideen», Sa Graham, og utvikler gradvis en ny opprinnelseshistorie for partikkelfysikkloven.
Inspirert av Et Forsøk Fra Larry Abbott i 1984 på å løse et annet naturproblem i fysikken, forsøkte De å omarbeide Higgs-massen som en utviklende parameter, en som dynamisk kunne «slappe av» til sin lille verdi under kosmos fødsel i stedet for å starte som en fast, tilsynelatende usannsynlig konstant. «Selv om det tok seks måneder med blindveier og veldig dumme modeller og veldig barokke, kompliserte ting, endte Vi med å lande på dette veldig enkle bildet,» Sa Kaplan.
I Modellen avhenger Higgs-massen av den numeriske verdien av et hypotetisk felt som gjennomsyrer rom og tid: et aksionfelt. For å se det, «tenker vi på totaliteten av plass som denne 3-D madrassen,» Sa Dimopoulos. Verdien på hvert punkt i feltet tilsvarer hvor komprimert madrassfjærene er der. Det har lenge vært anerkjent at eksistensen av denne madrassen-og dens vibrasjoner i form av aksjoner – kunne løse to dype mysterier: For det første vil axion-feltet forklare hvorfor de fleste interaksjoner mellom protoner og nøytroner løper både fremover og bakover, og løser det som kalles «sterk CP» – problemet. Og axions kan gjøre opp mørk materie. Å løse hierarkiproblemet ville være en tredje imponerende prestasjon.
historien om den nye modellen begynner når kosmos var en energi-tilført prikk. Axion-madrassen var ekstremt komprimert, noe Som gjorde Higgs-massen enorm. Etter hvert som universet utvidet seg, ble fjærene avslappet, som om deres energi spredte seg gjennom fjærene i det nyopprettede rommet. Som energien spredte, gjorde Higgs-massen Også. Når massen falt til nåverdien, forårsaket det en relatert variabel å stupe forbi null, slå På Higgs-feltet, en molasseslike enhet som gir masse til partiklene som beveger seg gjennom det, for eksempel elektroner og kvarker. Massive kvarker i sin tur samhandlet med axion feltet, skape rygger i metaforisk bakken som sin energi hadde rullet ned. Axion-feltet ble sittende fast. Det samme gjorde Higgs mass.
I Det Sundrum kalte en radikal pause fra tidligere modeller, viser den nye hvordan dagens massehierarki kan ha blitt formet av kosmos fødsel. «Det faktum at de har satt ligninger til dette i en realistisk forstand, er virkelig bemerkelsesverdig,» sa han.
Dimopoulos bemerket på slående minimalisme av modellen, som sysselsetter det meste pre-etablerte ideer. «Folk som meg selv som har investert mye på disse andre tilnærmingene til hierarkiproblemet, var veldig lykkelig overrasket over at du ikke trenger å se veldig langt,» sa han. «I bakgården Til Standardmodellen var løsningen der. Det tok veldig smarte unge mennesker å innse det.
«Dette løfter aksjekursen til axion,» la han til. Nylig Begynte Axion Dark Matter eXperiment ved University Of Washington I Seattle å lete etter de sjeldne konverteringene av mørke materieaksjoner til lys inne i sterke magnetfelt. Nå, Dimopoulos sa, » Vi bør se enda vanskeligere å finne den .»
Men Som mange eksperter, nima Arkani-Hamed Fra Institute For Advanced Study I Princeton, Nj, bemerket At det er tidlige dager for dette forslaget. Mens «det er definitivt smart,» sa han, er den nåværende implementeringen langt hentet. For eksempel, for at axionfeltet skal ha blitt sittende fast på ryggene skapt av kvarkene i stedet for å rulle forbi dem, må kosmisk inflasjon ha utviklet seg mye langsommere enn de fleste kosmologer har antatt. «Du legger til 10 milliarder år med inflasjon,» sa han. «Du må lure på hvorfor all kosmologi ordner seg bare for å få dette til å skje.»
Og selv om axion er oppdaget, ville det alene ikke bevise at det er» relaxion » — at Det slapper av Verdien Av Higgs-massen. Som Kaplans opphold I Bay Area vinder ned, begynner Han, Graham og Rajendran å utvikle ideer for hvordan man tester det aspektet av modellen. Det kan til slutt være mulig å svinge et aksionfelt, for eksempel for å se om dette påvirker massene av nærliggende elementære partikler, ved Hjelp Av Higgs-massen. «Du ville se elektronmassen wiggling,» Sa Graham.
disse testene av forslaget vil ikke skje i mange år. (Modellen forutsier ikke noen nye fenomener SOM LHC ville oppdage.) Og realistisk, sa flere eksperter, det står overfor lange odds . Så mange smarte forslag har mislyktes gjennom årene at mange fysikere er refleksivt skeptiske. Likevel leverer den spennende nye modellen en rettidig dose optimisme.
«Vi trodde vi hadde tenkt på alt, Og det var ikke noe nytt under solen,» Sa Sundrum. «Hva dette viser er at mennesker er ganske smarte og det er fortsatt rom for nye gjennombrudd.»
Redaktørens Notat: David Kaplan er vert For Quanta Magazines I Teorien videoserie.
denne artikkelen ble gjengitt på Wired.com.