te verklaren drie natuurkundigen die het afgelopen jaar hebben samengewerkt in de San Francisco Bay Area hebben een nieuwe oplossing bedacht voor een mysterie dat hun gebied al meer dan 30 jaar belegerd heeft. Deze diepgaande puzzel, die experimenten heeft gedreven met steeds krachtiger deeltjesversnellers en aanleiding heeft gegeven tot de controversiële multiversum hypothese, komt neer op iets wat een heldere vierde klasser zou kunnen vragen: Hoe kan een magneet een paperclip optillen tegen de zwaartekracht van de hele planeet?
ondanks zijn invloed op de beweging van sterren en sterrenstelsels, is de zwaartekracht honderden miljoenen biljoenen biljoenen keren zwakker dan magnetisme en de andere microscopische krachten van de natuur. Deze ongelijkheid verschijnt in natuurkunde vergelijkingen als een even absurd verschil tussen de massa van het Higgs boson, een deeltje ontdekt in 2012 dat de massa ‘ s en krachten in verband met de andere bekende deeltjes controleert, en de verwachte massa bereik van de nog niet ontdekte gravitationele Staten van materie.Bij gebrek aan bewijs uit Europa ‘ s Large Hadron Collider (LHC) dat een van de eerder voorgestelde theorieën ondersteunt om deze absurde massahiërarchie te verklaren — inclusief de verleidelijke elegante “supersymmetrie” — zijn veel natuurkundigen gaan twijfelen aan de logica van de natuurwetten. In toenemende mate maken ze zich zorgen dat ons universum een willekeurige, nogal bizarre permutatie is tussen ontelbare andere mogelijke universa — een effectief doodlopende weg in de zoektocht naar een coherente theorie van de natuur.
deze maand lanceerde de LHC haar langverwachte tweede reeks op bijna het dubbele van de vorige operationele energie, waarbij zij voortging met het zoeken naar nieuwe deeltjes of verschijnselen die het hiërarchische probleem zouden oplossen. Maar de zeer reële mogelijkheid dat er geen nieuwe deeltjes om de hoek liggen heeft theoretische fysici geconfronteerd met hun “nachtmerrie scenario.”Het heeft hen ook aan het denken gezet.”Het is op momenten van crisis dat nieuwe ideeën zich ontwikkelen,” zei Gian Giudice, een theoretisch deeltjesfysicus aan het CERN laboratorium in de buurt van Genève, waar de LHC gevestigd is.
het nieuwe voorstel biedt een mogelijke oplossing. Het trio is “super opgewonden”, zei David Kaplan, 46, een theoretische deeltjesfysicus van de Johns Hopkins Universiteit in Baltimore, Md., die het model ontwikkelde tijdens een sabbatical aan de westkust met Peter Graham, 35, van Stanford University en Surjeet Rajendran, 32, van de Universiteit van Californië, Berkeley.
hun oplossing traceert de hiërarchie tussen zwaartekracht en de andere fundamentele krachten terug naar de explosieve geboorte van de kosmos, toen, zoals hun model suggereert, twee variabelen die gelijktijdig evolueerden plotseling vastgelopen. Op dat moment sloot een hypothetisch deeltje, het axion genaamd, het higgsboson op in zijn huidige massa, ver onder de schaal van zwaartekracht. Het axion is sinds 1977 opgenomen in theoretische vergelijkingen en wordt geacht te bestaan. Toch merkte niemand, tot nu toe, dat axionen konden zijn wat het trio “relaxionen” noemt, het oplossen van het hiërarchie probleem door de waarde van de Higgs massa “te ontspannen”.”Het is een heel, heel slim idee,” zei Raman Sundrum, een theoretische deeltjesfysicus aan de Universiteit van Maryland in College Park, die niet betrokken was bij de ontwikkeling ervan. “Misschien is een versie daarvan de manier waarop de wereld werkt.”
in de weken sinds het artikel van het trio online verscheen, heeft het” een nieuwe speeltuin ” geopend, bevolkt met onderzoekers die hun zwakheden willen herzien en hun basisprincipe in verschillende richtingen willen nemen, zei Nathaniel Craig, een theoretisch natuurkundige aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara.
” dit lijkt gewoon een vrij eenvoudige mogelijkheid, ” zei Rajendran. “We staan niet op ons hoofd om hier iets geks te doen. Het wil gewoon werken.”
echter, zoals verscheidene deskundigen hebben opgemerkt, vertoont het idee in zijn huidige vorm tekortkomingen die zorgvuldig moeten worden overwogen. En zelfs als het dit onderzoek overleeft, kan het meer dan tien jaar duren om experimenteel te testen. Voor het moment, zeiden experts, de relaxion is het schudden van longheld standpunten en het aanmoedigen van sommige fysici om de hiërarchie probleem in een nieuw licht te zien. De les, zei Michael Dine, een natuurkundige aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, en een veteraan van de hiërarchie probleem, is ” niet zomaar opgeven en aannemen dat we niet in staat zijn om het uit te vinden.”
een onnatuurlijke balans
voor alle feestvreugde rond de ontdekking van het higgsboson in 2012, die het “standaardmodel” van de deeltjesfysica voltooide en Peter Higgs en François Englert in 2013 de Nobelprijs voor de natuurkunde opleverde, kwam het als weinig verrassing; het bestaan van het deeltje en de gemeten massa van 125 giga-elektronvolt (GeV) overeen met jaren van indirect bewijs. Het is wat niet gevonden werd bij de LHC dat de experts verbijsterd maakte. Er is niets gevonden dat de Higgs-massa kon verzoenen met de voorspelde massaschaal geassocieerd met zwaartekracht, die buiten experimenteel bereik ligt bij 10.000.000.000.000.000.000.000 GeV.
“het probleem is dat in de kwantummechanica alles al het andere beïnvloedt,” legde Giudice uit. De superzware gravitatietoestanden zouden kwantummechanisch moeten vermengen met het higgsboson, wat enorme factoren bijdroeg aan de waarde van zijn massa. Toch eindigt het Higgs boson lichtgewicht. Het is alsof alle gigantische factoren die de massa beïnvloeden – sommige positief, anderen negatief, maar alle tientallen cijfers lang-op magische wijze hebben opgeheven, waardoor een buitengewoon kleine waarde achterblijft. De onwaarschijnlijk verfijnde annulering van deze factoren lijkt “verdacht”, zei Giudice. “Je denkt, Nou, er moet iets anders achter zitten.”
Experts vergelijken de fijn afgestemde Higgsmassa vaak met een potlood dat op de loden punt staat, dat op deze manier wordt geduwd en dat door krachtige krachten zoals luchtstromen en tafeltrillingen die op de een of andere manier een perfecte balans hebben gevonden. “Het is niet een staat van onmogelijkheid; het is een staat van zeer kleine waarschijnlijkheid,” zei Savas Dimopoulos van Stanford. Als je zo ‘ n potlood tegenkwam, zei hij: “je zou eerst je hand over het potlood bewegen om te zien of er een touwtje was dat het tegen het plafond hield. je zou naar de tip kijken om te zien of er kauwgom is.”
natuurkundigen hebben sinds de jaren zeventig op dezelfde manier gezocht naar een natuurlijke verklaring voor het hiërarchie probleem, ervan overtuigd dat de zoektocht hen zou leiden naar een vollediger theorie van de natuur, misschien zelfs het draaien van de deeltjes achter “dark matter”, de onzichtbare stof die sterrenstelsels doordringt. “Natuurlijkheid is echt de leidmotief van dat onderzoek geweest,” Giudice zei.
sinds de jaren tachtig is het meest populaire voorstel supersymmetrie. Het lost het hiërarchieprobleem op door een nog te ontdekken tweeling te postuleren voor elk elementair deeltje: voor het elektron, een hypothetische “selectron”, voor elke quark, een” squark”, enzovoort. Tweelingen dragen tegengestelde termen bij aan de massa van het higgsboson, waardoor het immuun is voor de effecten van superzware zwaartekrachtdeeltjes (omdat ze teniet worden gedaan door de effecten van hun tweelingen).
maar er is geen bewijs voor supersymmetrie of voor concurrerende ideeën — zoals “technicolor” en “warped extra dimensions” — gevonden tijdens de eerste run van de LHC van 2010 tot 2013. Toen de collider in het begin van 2013 stopte voor upgrades zonder een enkel “sparticle” of enig ander teken van fysica te hebben gevonden buiten het standaardmodel, vonden veel experts dat ze niet langer konden voorkomen dat ze een sterk alternatief overwogen. Wat als de Higgsmassa, en daarmee de natuurwetten, onnatuurlijk zijn? Berekeningen tonen aan dat als de massa van het higgsboson maar een paar keer zwaarder zou zijn en al het andere hetzelfde zou blijven, protonen niet langer in atomen zouden kunnen samenbrengen, en er geen complexe structuren zouden zijn — geen sterren of levende wezens. Dus, wat als ons universum echt zo per ongeluk is verfijnd als een potlood in balans op zijn punt, uitgekozen als ons kosmische adres van een onvoorstelbaar groot aantal bubbeluniversa in een eeuwig schuimende “multiversum” zee gewoon omdat het leven zo ‘ n schandalig ongeluk vereist om te bestaan?
deze multiversumhypothese, die sinds het einde van de jaren negentig de discussie over het hiërarchieprobleem heeft aangewakkerd, wordt door de meeste natuurkundigen als een somber vooruitzicht beschouwd. “Ik weet gewoon niet wat te doen met het,” Craig zei. “We weten niet wat de regels zijn.”Andere bubbels van het multiversum, als ze bestaan, liggen buiten de grenzen van lichtcommunicatie, en beperken voor altijd theorieën over het multiversum tot wat we kunnen waarnemen vanuit onze eenzame bubbel. Met geen manier om te vertellen waar ons Datapunt ligt op het enorme spectrum van mogelijkheden in een multiversum, wordt het moeilijk of onmogelijk om multiversum-gebaseerde argumenten te construeren over waarom ons universum is zoals het is. “Ik weet niet op welk punt we ooit zouden worden overtuigd,” Dine zei. “Hoe zou je het regelen? Hoe weet jij dat nou?”
the Higgs and the Relaxion
Kaplan bezocht de Bay Area afgelopen zomer om samen te werken met Graham en Rajendran, die hij kende omdat ze alle drie verschillende keren hadden gewerkt onder Dimopoulos, een van de belangrijkste ontwikkelaars van supersymmetrie. In het afgelopen jaar verdeelde het trio hun tijd tussen Berkeley en Stanford — en de verschillende coffeeshops, lunchplekken en ijssalons grenzend aan beide campussen — het uitwisselen van “embryonale stukjes van het idee,” Graham zei, en geleidelijk aan het ontwikkelen van een nieuwe oorsprong verhaal voor de wetten van de deeltjesfysica.Geïnspireerd door een poging van Larry Abbott uit 1984 om een ander natuurlijkheidsprobleem in de fysica aan te pakken, probeerden ze de Higgsmassa te herschikken als een evoluerende parameter, een die dynamisch kon “ontspannen” tot zijn kleine waarde tijdens de geboorte van de kosmos in plaats van te beginnen als een vaste, schijnbaar onwaarschijnlijke constante. “Hoewel het zes maanden van doodlopende en echt domme modellen en zeer barokke, ingewikkelde dingen, we uiteindelijk de landing op deze zeer eenvoudige foto,” Kaplan zei.
in hun model hangt de Higgsmassa af van de numerieke waarde van een hypothetisch veld dat ruimte en tijd doordringt: een axionveld. Om het beeld, ” we denken aan de totaliteit van de ruimte als deze 3-D matras,” Dimopoulos zei. De waarde op elk punt in het veld komt overeen met hoe samengeperst de matrasveer er is. Het is al lang erkend dat het bestaan van deze matras-en zijn trillingen in de vorm van axions-twee diepe mysteries kan oplossen: Ten eerste zou het axionveld verklaren waarom de meeste interacties tussen protonen en neutronen zowel vooruit als achteruit lopen, wat bekend staat als het “sterke CP” probleem oplost. En axions kunnen donkere materie vormen. Het oplossen van het hiërarchie probleem zou een derde indrukwekkende prestatie zijn.
het verhaal van het nieuwe model begint toen de kosmos een punt met energie was. De axion matras was extreem samengeperst, wat de Higgs massa enorm maakte. Terwijl het universum zich uitbreidde, ontspanden de bronnen, alsof hun energie zich verspreidde door de bronnen van de nieuw gecreëerde ruimte. Terwijl de energie verdween, verdween ook de Higgsmassa. Toen de massa tot zijn huidige waarde daalde, zorgde het ervoor dat een verwante variabele voorbij nul dook en het higgsveld inschakelde, een molassesachtige entiteit die massa geeft aan de deeltjes die er doorheen bewegen, zoals elektronen en quarks. Massieve quarks interageerden op hun beurt met het axionveld, waardoor richels ontstonden in de metaforische heuvel dat zijn energie naar beneden rolde. Het axionveld zit vast. En de Higgs-massa ook.
in wat Sundrum een radicale breuk met vroegere modellen noemde, laat de nieuwe zien hoe de hedendaagse massahiërarchie zou kunnen zijn gevormd door de geboorte van de kosmos. “Het feit dat ze vergelijkingen hebben gezet om dit in een realistische zin is echt opmerkelijk,” zei hij.Dimopoulos wees op het opvallende minimalisme van het model, dat voornamelijk van tevoren vastgestelde ideeën gebruikt. “Mensen zoals ik, die heel wat hebben geïnvesteerd in deze andere benaderingen van de hiërarchie probleem waren heel blij verrast dat je niet hoeft te kijken heel ver,” zei hij. “In de achtertuin van het standaardmodel was de oplossing aanwezig. Er waren heel slimme jonge mensen voor nodig om dat te beseffen.
” dit verhoogt de aandelenkoers van de axion,” voegde hij eraan toe. Onlangs begon het Axion Dark Matter eXperiment aan de Universiteit van Washington in Seattle te zoeken naar de zeldzame omzetting van donkere materie axions in licht in sterke magnetische velden. Dimopoulos zei: “We moeten nog harder Zoeken om het te vinden.”
echter, net als veel deskundigen, Nima Arkani-Hamed van het Institute for Advanced Study in Princeton, N. J., merkte op dat het nog vroeg is voor dit voorstel. Terwijl “het is zeker slim,” zei hij, de huidige implementatie is vergezocht. Om bijvoorbeeld te zorgen dat het axionveld vast kwam te zitten op de ruggen van de quarks in plaats van er langs te rollen, moet de kosmische inflatie veel langzamer zijn verlopen dan de meeste kosmologen hebben aangenomen. “Je voegt 10 miljard jaar inflatie toe,” zei hij. “Je moet je afvragen waarom de hele kosmologie zichzelf regelt om dit te laten gebeuren.”
en zelfs als het axion ontdekt wordt, zou dat alleen niet bewijzen dat het het “relaxion” is — dat het de waarde van de Higgsmassa ontspant. Terwijl Kaplan ‘ s verblijf in de Bay Area afneemt, beginnen hij, Graham en Rajendran ideeën te ontwikkelen om dat aspect van hun model te testen. Het zou uiteindelijk mogelijk zijn om een axionveld te oscilleren, bijvoorbeeld, om te zien of dit de massa ‘ s van nabijgelegen elementaire deeltjes beïnvloedt, door middel van de Higgsmassa. “Je zou de elektronenmassa zien wiebelen,” zei Graham.
deze tests van het voorstel zullen pas over vele jaren plaatsvinden. (Het model voorspelt geen nieuwe fenomenen die de LHC zou detecteren.) En realistisch, verschillende deskundigen zei, het wordt geconfronteerd met lange kansen. Zoveel slimme voorstellen zijn door de jaren heen mislukt dat veel natuurkundigen reflexief sceptisch zijn. Toch is het intrigerende nieuwe model levert een tijdige dosis optimisme.”We thought we had thought of everything and there was nothing new under The sun,” zei Sundrum. “Dit laat zien dat mensen behoorlijk slim zijn en dat er nog ruimte is voor nieuwe doorbraken.”
Noot van de redactie: David Kaplan host Quanta Magazine ‘ s in Theory videoserie.
dit artikel werd herdrukt op Wired.com.