trei fizicieni care au colaborat în zona Golfului San Francisco în ultimul an au conceput o nouă soluție la un mister care le-a afectat domeniul de mai bine de 30 de ani. Acest puzzle profund, care a condus experimente la coliziuni de particule din ce în ce mai puternice și a dat naștere controversatei ipoteze multiverse, echivalează cu ceva ce un elev de clasa a patra ar putea întreba: cum poate un magnet să ridice o agrafă împotriva atracției gravitaționale a întregii planete?
în ciuda influenței sale asupra mișcării stelelor și galaxiilor, forța gravitațională este de sute de milioane de trilioane de trilioane de ori mai slabă decât magnetismul și celelalte forțe microscopice ale naturii. Această diferență apare în ecuațiile fizicii ca o diferență la fel de absurdă între masa bosonului Higgs, o particulă descoperită în 2012 care controlează masele și forțele asociate cu celelalte particule cunoscute și gama de masă așteptată a stărilor gravitaționale încă nedescoperite ale materiei.
în absența dovezilor de la LHC (Large Hadron Collider) din Europa care susțin oricare dintre teoriile propuse anterior pentru a explica această ierarhie de masă absurdă — inclusiv „supersimetria” seducător de elegantă — mulți fizicieni au ajuns să se îndoiască de însăși logica legilor naturii. Din ce în ce mai mult, ei se tem că universul nostru ar putea fi doar o permutare aleatorie, destul de bizară, printre nenumăratele alte universuri posibile — o fundătură eficientă în căutarea unei teorii coerente a naturii.
în această lună, LHC și-a lansat cea de-a doua cursă anticipată cu nerăbdare la aproape dublul energiei sale de operare anterioare, continuând urmărirea de noi particule sau fenomene care ar rezolva problema ierarhiei. Dar posibilitatea foarte reală ca nicio particulă nouă să nu se afle după colț i-a lăsat pe fizicienii teoretici să se confrunte cu „scenariul lor de coșmar”.”De asemenea, i-a făcut să gândească.
„în momente de criză se dezvoltă noi idei”, a spus Gian Giudice, fizician teoretic de particule la laboratorul CERN de lângă Geneva, care găzduiește LHC.
noua propunere oferă o posibilă cale de urmat. Trio-ul este „super entuziasmat”, a spus David Kaplan, 46 de ani, fizician teoretic de particule de la Universitatea Johns Hopkins din Baltimore, Md., care a dezvoltat modelul în timpul unui Sabat pe coasta de Vest cu Peter Graham, 35, de la Universitatea Stanford și Surjeet Rajendran, 32, de la Universitatea din California, Berkeley.
soluția lor urmărește ierarhia dintre gravitație și celelalte forțe fundamentale înapoi la nașterea explozivă a cosmosului, când, sugerează modelul lor, două variabile care evoluau în tandem brusc blocate. În acel moment, o particulă ipotetică numită „axion” a blocat bosonul Higgs în masa sa actuală, mult sub scara gravitației. Axionul a apărut în ecuații teoretice din 1977 și este considerat probabil să existe. Cu toate acestea, nimeni, până acum, nu a observat că axiunile ar putea fi ceea ce trio-ul numește „relaxions”, rezolvând problema ierarhiei prin „relaxarea” valorii masei Higgs.
„este o idee foarte, foarte inteligentă”, a spus Raman Sundrum, un fizician teoretic de particule de la Universitatea Maryland Din College Park, care nu a fost implicat în dezvoltarea acesteia. „Probabil că o versiune a acestui lucru este modul în care funcționează lumea.”
în săptămânile de când lucrarea trio-ului a apărut online, a deschis „un nou loc de joacă” populat de cercetători dornici să-și revizuiască punctele slabe și să-și ia premisa de bază în direcții diferite, a declarat Nathaniel Craig, fizician teoretic la Universitatea din California, Santa Barbara.
„aceasta pare o posibilitate destul de simplă”, a spus Rajendran. „Nu suntem în picioare pe capul nostru pentru a face ceva nebunesc aici. Vrea doar să funcționeze.”
cu toate acestea, după cum au remarcat mai mulți experți, în forma sa actuală ideea are deficiențe care vor trebui luate în considerare cu atenție. Și chiar dacă supraviețuiește acestui control, ar putea dura mai mult de un deceniu pentru a testa experimental. Pentru moment, au spus experții, relaxionul se agită de mult timp și încurajează unii fizicieni să vadă problema ierarhiei într-o lumină nouă. Lecția, a spus Michael Dine, fizician la Universitatea din California, Santa Cruz, și un veteran al problemei ierarhiei, este „să nu renunțăm doar și să presupunem că nu vom putea să ne dăm seama.”
un echilibru nenatural
pentru toate distracțiile din jurul descoperirii din 2012 a bosonului Higgs, care a completat „modelul Standard” al fizicii particulelor și i-a adus lui Peter Higgs și lui Fran Inktoxois Englert Premiul Nobel pentru Fizică din 2013, a venit ca o mică surpriză; existența particulei și masa măsurată de 125 giga-Electron volți (GeV) au fost de acord cu ani de dovezi indirecte. Ceea ce nu a fost găsit la LHC a lăsat experții nedumeriți. Nu a apărut nimic care să poată reconcilia masa Higgs cu scara de masă prevăzută asociată cu gravitația, care se află dincolo de atingerea experimentală la 10.000.000.000.000.000.000 GeV.
„problema este că în mecanica cuantică, totul influențează orice altceva”, a explicat Giudice. Stările gravitaționale super-grele ar trebui să se amestece mecanic cuantic cu bosonul Higgs, contribuind cu factori uriași la valoarea masei sale. Totuși, cumva, bosonul Higgs ajunge ușor. Este ca și cum toți factorii gigantici care îi afectează masa — unii pozitivi, alții negativi, dar toate zecile de cifre lungi — s-au anulat în mod magic, lăsând o valoare extraordinar de mică în urmă. Anularea improbabilă a acestor factori pare „suspectă”, a spus Giudice. „Crezi, Ei bine, trebuie să existe altceva în spatele ei.”
Experții compară adesea masa Higgs reglată fin cu un creion care stă pe vârful său de plumb, împins în acest fel și de forțe puternice precum curenții de aer și vibrațiile de masă care au atins cumva un echilibru perfect. „Nu este o stare de imposibilitate; este o stare de probabilitate extrem de mică”, a spus Savas Dimopoulos de la Stanford. Dacă ați dat peste un astfel de creion, el a spus: „mai întâi v-ați mișca mâna peste creion pentru a vedea dacă există vreo sfoară care să o țină de tavan. te-ai uita la sfat pentru a vedea dacă există gumă de mestecat.”
fizicienii au căutat în mod similar o explicație naturală pentru problema ierarhiei încă din anii 1970, încrezători că căutarea îi va conduce către o teorie mai completă a naturii, poate chiar să transforme particulele din spatele „materiei întunecate”, substanța invizibilă care pătrunde în galaxii. „Naturalitatea a fost într-adevăr laitmotivul acestei cercetări”, a spus Giudice.
din anii 1980, cea mai populară propunere a fost supersimetria. Rezolvă problema ierarhiei postulând un geamăn încă de descoperit pentru fiecare particulă elementară: pentru electron, un ipotetic „selectron”, pentru fiecare quark, un „squark” și așa mai departe. Gemenii contribuie cu termeni opuși la masa bosonului Higgs, făcându-l imun la efectele particulelor gravitaționale super-grele (deoarece acestea sunt anulate de efectele gemenilor lor).
dar nu au apărut dovezi pentru supersimetrie sau pentru idei concurente — cum ar fi „technicolor” și „dimensiuni suplimentare deformate” — în timpul primei runde a LHC din 2010 până în 2013. Când acceleratorul s-a oprit pentru upgrade-uri la începutul anului 2013 fără să fi găsit o singură „sparticulă” sau orice alt semn al fizicii dincolo de modelul Standard, mulți experți au considerat că nu mai pot evita să se gândească la o alternativă puternică. Ce se întâmplă dacă masa Higgs, și implicit legile naturii, sunt nenaturale? Calculele arată că, dacă masa bosonului Higgs ar fi doar de câteva ori mai grea și orice altceva ar rămâne la fel, protonii nu s — ar mai putea asambla în atomi și nu ar exista structuri complexe-nici stele sau ființe vii. Deci, ce se întâmplă dacă universul nostru este într-adevăr la fel de bine reglat accidental ca un creion echilibrat pe vârful său, desemnat ca Adresa noastră cosmică dintr-o gamă de universuri cu bule de neconceput în interiorul unei mări „multiverse” care se spumează veșnic, pur și simplu pentru că viața necesită un accident atât de scandalos pentru a exista?
această ipoteză multiversă, care a apărut în discuțiile despre problema ierarhiei de la sfârșitul anilor 1990, este văzută ca o perspectivă sumbră de majoritatea fizicienilor. „Pur și simplu nu știu ce să fac cu ea”, a spus Craig. „Nu știm care sunt regulile.”Alte bule ale multiversului, dacă există, se află dincolo de limitele comunicării luminii, limitând pentru totdeauna teoriile despre multivers la ceea ce putem observa din interiorul bulei noastre singuratice. Cu nici o modalitate de a spune unde punctul nostru de date se află pe vastul spectru de posibilități într-un multivers, devine dificil sau imposibil de a construi argumente bazate pe multivers cu privire la motivul pentru care universul nostru este așa cum este. „Nu știu în ce moment am fi vreodată convinși”, a spus Dine. „Cum ai rezolva? De unde știi tu?”
Higgs și Relaxion
Kaplan a vizitat Bay Area vara trecută pentru a colabora cu Graham și Rajendran, pe care îi cunoștea pentru că toți trei lucraseră în diferite momente sub Dimopoulos, care a fost unul dintre dezvoltatorii cheie ai supersimetriei. În ultimul an, trio — ul și — a împărțit timpul între Berkeley și Stanford-și diferitele cafenele, locuri de prânz și saloane de înghețată care se învecinează cu ambele campusuri-schimbând „bucăți embrionare ale ideii”, a spus Graham, și dezvoltând treptat o nouă poveste de origine pentru legile fizicii particulelor.
inspirați de o încercare din 1984 a lui Larry Abbott de a aborda o altă problemă de naturalitate în fizică, ei au căutat să reformeze masa Higgs ca un parametru în evoluție, unul care ar putea „relaxa” dinamic la valoarea sa minusculă în timpul nașterii cosmosului, mai degrabă decât să înceapă ca o constantă fixă, aparent improbabilă. „Deși a durat șase luni de fundături și modele cu adevărat stupide și lucruri foarte baroce și complicate, am ajuns să aterizăm pe această imagine foarte simplă”, a spus Kaplan.
în modelul lor, masa Higgs depinde de valoarea numerică a unui câmp ipotetic care pătrunde în spațiu și timp: un câmp axion. Pentru a ne imagina,” ne gândim la totalitatea spațiului ca fiind această saltea 3D”, a spus Dimopoulos. Valoarea din fiecare punct al câmpului corespunde modului în care sunt comprimate arcurile saltelei. De mult timp a fost recunoscut faptul că existența acestei saltele — și vibrațiile sale sub formă de Axioane — ar putea rezolva două mistere profunde: În primul rând, câmpul axion ar explica de ce majoritatea interacțiunilor dintre protoni și neutroni se desfășoară atât înainte, cât și înapoi, rezolvând ceea ce este cunoscut sub numele de „CP puternic” problemă. Și axiunile ar putea alcătui materia întunecată. Rezolvarea problemei ierarhiei ar fi o a treia realizare impresionantă.
povestea noului model începe atunci când cosmosul era un punct infuzat de energie. Salteaua axion a fost extrem de comprimată, ceea ce a făcut ca masa Higgs să fie enormă. Pe măsură ce universul s-a extins, izvoarele s-au relaxat, ca și cum energia lor s-ar răspândi prin izvoarele spațiului nou creat. Pe măsură ce energia s-a disipat, la fel și masa Higgs. Când masa a scăzut la valoarea sa actuală, a făcut ca o variabilă înrudită să treacă de zero, pornind câmpul Higgs, o entitate asemănătoare molaselor care dă masă particulelor care se mișcă prin ea, cum ar fi electronii și cuarcii. Quarcii masivi, la rândul lor, au interacționat cu câmpul axion, creând creste în Dealul metaforic pe care energia sa o rostogolise. Câmpul axion s-a blocat. La fel și masa Higgs.
în ceea ce Sundrum a numit o ruptură radicală față de modelele anterioare, noul model arată modul în care ierarhia de masă modernă ar fi putut fi sculptată prin nașterea cosmosului. „Faptul că au pus ecuații în acest sens într-un sens realist este cu adevărat remarcabil”, a spus el.
Dimopoulos a remarcat minimalismul izbitor al modelului, care folosește în mare parte idei prestabilite. „Oameni ca mine care au investit destul de mult în aceste alte abordări ale problemei ierarhiei au fost foarte fericiți surprinși că nu trebuie să te uiți foarte departe”, a spus el. „În curtea din spate a Modelului Standard, soluția a fost acolo. A fost nevoie de tineri foarte inteligenți pentru a realiza acest lucru.
„acest lucru ridică prețul acțiunilor axionului”, a adăugat el. Recent, experimentul Axion Dark Matter de la Universitatea Washington din Seattle a început să caute conversiile rare ale axionilor materiei întunecate în lumină în interiorul câmpurilor magnetice puternice. Acum, Dimopoulos a spus: „ar trebui să căutăm și mai greu să o găsim.”
cu toate acestea, la fel ca mulți experți, Nima Arkani-Hamed de la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, NJ, a remarcat că este devreme pentru această propunere. Deși” este cu siguranță inteligent”, a spus el, implementarea sa actuală este exagerată. De exemplu, pentru ca câmpul axion să se fi blocat pe crestele create de quarci, mai degrabă decât să se rostogolească pe lângă ele, inflația cosmică trebuie să fi progresat mult mai lent decât au presupus majoritatea cosmologilor. „Adăugați 10 miliarde de ani de inflație”, a spus el. „Trebuie să vă întrebați De ce toată cosmologia se aranjează doar pentru a face acest lucru să se întâmple.”
și chiar dacă Axionul este descoperit, numai asta nu ar dovedi că este „relaxionul” — că relaxează valoarea masei Higgs. Pe măsură ce șederea lui Kaplan în Bay Area se încheie, el, Graham și Rajendran încep să dezvolte idei despre cum să testeze acel aspect al modelului lor. În cele din urmă ar putea fi posibil să oscilați un câmp axion, de exemplu, pentru a vedea dacă acest lucru afectează masele particulelor elementare din apropiere, prin intermediul masei Higgs. „Ați vedea masa de electroni mișcându-se”, a spus Graham.
aceste teste ale propunerii nu se vor întâmpla mulți ani. (Modelul nu prezice niciun fenomen nou pe care LHC l-ar detecta.) Și realist, mai mulți experți a spus, se confruntă cu cote lungi. Atât de multe propuneri inteligente au eșuat de-a lungul anilor, încât mulți fizicieni sunt sceptici reflexiv. Totuși, noul model interesant oferă o doză de optimism în timp util.
„am crezut că ne-am gândit la toate și nu era nimic nou sub soare”, a spus Sundrum. „Ceea ce arată acest lucru este că oamenii sunt destul de inteligenți și există încă loc pentru noi descoperiri.”
Nota editorului: David Kaplan găzduiește seria video în teorie a revistei Quanta.
acest articol a fost retipărit pe Wired.com.