trzech fizyków, którzy współpracowali w San Francisco Bay Area w ciągu ostatniego roku, opracowało nowe rozwiązanie zagadki, która oblegała ich pole od ponad 30 lat. Ta głęboka zagadka, która napędzała eksperymenty na coraz silniejszych zderzaczach cząstek i dała początek kontrowersyjnej hipotezie wieloświata, sprowadza się do czegoś, co jasny czwartoklasista mógłby zapytać: jak magnes może podnieść spinacz do papieru przeciwko przyciąganiu grawitacyjnemu całej planety?
pomimo kołysania się ruchem gwiazd i galaktyk, siła grawitacji jest setki milionów bilionów bilionów razy słabsza niż magnetyzm i inne mikroskopijne siły natury. Ta rozbieżność pojawia się w równaniach fizyki jako podobnie absurdalna różnica między masą bozonu Higgsa, cząstki odkrytej w 2012 roku, która kontroluje masy i siły związane z innymi znanymi cząstkami, a oczekiwanym zakresem mas nieodkrytych jeszcze Stanów grawitacyjnych materii.
wobec braku dowodów z Europejskiego Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) na poparcie którejkolwiek z teorii zaproponowanych wcześniej w celu wyjaśnienia tej niedorzecznej hierarchii mas — w tym uwodzicielsko eleganckiej „supersymetrii” — wielu fizyków zaczęło wątpić w samą logikę praw natury. Coraz częściej obawiają się, że nasz wszechświat może być po prostu przypadkową, dość dziwaczną permutacją wśród niezliczonych innych możliwych wszechświatów — skutecznym ślepym zaułkiem w poszukiwaniu spójnej teorii natury.
w tym miesiącu LHC uruchomił swój Z niecierpliwością oczekiwany drugi bieg z niemal dwukrotnie większą energią operacyjną, kontynuując poszukiwania nowych cząstek lub zjawisk, które rozwiązałyby problem hierarchii. Ale bardzo realna możliwość, że żadne nowe cząstki nie leżą za rogiem, postawiła fizyków teoretycznych w obliczu ich ” koszmarnego scenariusza.”To również skłoniło ich do myślenia.
„to w chwilach kryzysu rozwijają się nowe pomysły”, powiedział Gian Giudice, teoretyczny fizyk cząstek elementarnych w laboratorium CERN pod Genewą, w którym mieści się LHC.
nowy wniosek oferuje możliwość dalszych działań. Trio jest „bardzo podekscytowane”, powiedział David Kaplan, 46, teoretyczny fizyk cząstek z Johns Hopkins University w Baltimore, Md., który opracował model podczas urlopu naukowego na Zachodnim Wybrzeżu wraz z Peterem Grahamem (35 lat) z Uniwersytetu Stanforda i Surjeetem Rajendranem (32 lata) z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley.
ich rozwiązanie śledzi hierarchię między grawitacją a innymi podstawowymi siłami z powrotem do wybuchowych narodzin kosmosu, kiedy, jak sugeruje ich model, dwie zmienne, które ewoluowały w tandemie, nagle zostały zablokowane. W tym momencie hipotetyczna cząstka zwana „aksjonem” zamknęła bozon Higgsa w jego obecnej masie, znacznie poniżej skali grawitacji. Aksjon pojawia się w równaniach teoretycznych od 1977 roku i jest uważany za prawdopodobny. Jednak do tej pory nikt nie zauważył, że aksjony mogą być tym, co trio nazywa „relaksacjami”, rozwiązując problem hierarchii poprzez „rozluźnienie” wartości masy Higgsa.
„to bardzo, bardzo sprytny pomysł” – powiedział Raman Sundrum, teoretyczny fizyk cząstek elementarnych z University of Maryland w College Park, który nie był zaangażowany w jego rozwój. „Być może jakaś wersja tego jest sposobem, w jaki działa świat.”
w ciągu kilku tygodni od pojawienia się w Internecie artykułu trio otworzyło” nowy plac zabaw ” wypełniony badaczami pragnącymi zrewidować jego słabości i przyjąć podstawowe założenia w różnych kierunkach, powiedział Nathaniel Craig, fizyk teoretyczny z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara.
„Nie stoimy na głowie, żeby zrobić tu coś szalonego. To po prostu chce działać.”
jednak, jak zauważyło kilku ekspertów, w obecnej formie pomysł ma niedociągnięcia, które trzeba będzie dokładnie rozważyć. Nawet jeśli przetrwa to badanie, eksperymentalne przetestowanie może potrwać ponad dekadę. Na razie, zdaniem ekspertów, relaksacja wstrząsa długimi poglądami i zachęca niektórych fizyków do ujrzenia problemu hierarchii w nowym świetle. Lekcja, powiedział Michael Dine, fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz i weteran problemu hierarchii, to ” nie poddawać się i zakładać, że nie będziemy w stanie tego rozgryźć.”
nienaturalna równowaga
dla wszystkich rewelacji związanych z odkryciem bozonu Higgsa w 2012 roku, które ukończyły „Model Standardowy” fizyki cząstek i przyniosły Peterowi Higgsowi i François Englertowi Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2013 roku, było to małe zaskoczenie; istnienie cząstki i zmierzona masa 125 giga-elektronowoltów (GeV) zgadzały się z latami pośrednich dowodów. To, czego nie znaleziono w LHC, zaskoczyło ekspertów. Nie pojawiło się nic, co mogłoby pogodzić masę Higgsa z przewidywaną skalą masy związaną z grawitacją, która leży poza eksperymentalnym zasięgiem 10 000 000 000 000 000 000 GeV.
„problem polega na tym, że w mechanice kwantowej wszystko wpływa na wszystko inne” – wyjaśnił Giudice. Superciężkie Stany grawitacyjne powinny mieszać się mechanicznie z bozonem Higgsa, przyczyniając się do ogromnych czynników do wartości jego masy. Jednak w jakiś sposób bozon Higgsa staje się lekki. To tak, jakby wszystkie gigantyczne czynniki wpływające na jego masę-niektóre pozytywne, inne negatywne, ale wszystkie dziesiątki cyfr długie-magicznie anulowane, pozostawiając niezwykle małą wartość za sobą. Nieprawdopodobnie dopracowane anulowanie tych czynników wydaje się „podejrzane” – powiedział Giudice. „Myślisz, że musi za tym kryć się coś innego.”
eksperci często porównują precyzyjnie dostrojoną masę Higgsa do ołówka stojącego na ołowianej końcówce, poruszanego w ten sposób przez potężne siły, takie jak prądy powietrzne i wibracje stołu, które w jakiś sposób osiągnęły idealną równowagę. „Nie jest to stan niemożliwości; jest to stan bardzo małego prawdopodobieństwa”, powiedział Savas Dimopoulos ze Stanford. Gdybyś natknął się na taki ołówek, powiedział: „najpierw przesuń rękę nad ołówkiem, aby zobaczyć, czy nie ma sznurka trzymającego go z sufitu. można by spojrzeć na końcówkę, aby zobaczyć, czy nie ma gumy do żucia.”
fizycy podobnie szukali naturalnego wyjaśnienia problemu hierarchii od lat 70., będąc przekonani, że te poszukiwania doprowadzą ich do pełniejszej teorii natury, być może nawet do odkrycia cząstek kryjących się za „ciemną materią”, niewidzialną substancją, która przenika galaktyki. „Naturalność była naprawdę motywem przewodnim tych badań” – powiedział Giudice.
od lat 80. najpopularniejszą propozycją jest supersymetria. Rozwiązuje problem hierarchii poprzez postulowanie jeszcze nie odkrytego bliźniaka dla każdej cząstki elementarnej: dla elektronu, hipotetyczny „selektron”, dla każdego kwarka,” kwadrat ” i tak dalej. Bliźniaki przyczyniają się do powstania bozonu Higgsa w przeciwny sposób, czyniąc go odpornym na działanie superciężkich cząstek grawitacyjnych (ponieważ są one niwelowane przez oddziaływanie bliźniąt).
ale nie ma dowodów na supersymetrię ani na jakiekolwiek konkurencyjne pomysły — takie jak „technicolor” i „wypaczone dodatkowe wymiary” — pojawiły się podczas pierwszego uruchomienia LHC w latach 2010-2013. Kiedy na początku 2013 r.collider został zamknięty w celu modernizacji, nie znajdując ani jednego „sparticle” ani żadnego innego znaku fizyki wykraczającego poza standardowy Model, wielu ekspertów uważało, że nie mogą już uniknąć rozważań nad surową alternatywą. Co jeśli masa Higgsa, a przez to prawa natury, są nienaturalne? Obliczenia pokazują, że gdyby masa bozonu Higgsa była tylko kilka razy cięższa, a Wszystko inne pozostało takie samo, protony nie mogłyby się już gromadzić w atomy i nie byłoby złożonych struktur — gwiazd ani żywych istot. Co więc, jeśli nasz wszechświat jest tak przypadkowo dostrojony jak ołówek wyważony na czubku, wyodrębniony jako nasz kosmiczny adres z niewyobrażalnie szerokiej gamy bąbelkowych wszechświatów wewnątrz wiecznie spienionego” wieloświata ” morza, po prostu dlatego, że życie wymaga tak skandalicznego wypadku, aby istnieć?
ta wieloświatowa hipoteza, która pojawiła się w dyskusjach na temat problemu hierarchii od końca lat 90., jest postrzegana przez większość fizyków jako ponura perspektywa. „Po prostu nie wiem, co z tym zrobić” – powiedział Craig. „Nie wiemy, jakie są zasady.”Inne bańki wieloświata, jeśli istnieją, leżą poza granicami komunikacji świetlnej, na zawsze ograniczając teorie o wieloświacie do tego, co możemy obserwować z naszej samotnej bańki. Bez możliwości określenia, gdzie znajduje się nasz punkt danych o szerokim spektrum możliwości w wieloświecie, trudno lub niemożliwe staje się skonstruowanie opartych na wieloświecie argumentów o tym, dlaczego nasz wszechświat jest taki, jaki jest. – Nie wiem, w którym momencie bylibyśmy przekonani-powiedział Dine. „Jak byś to załatwił? Skąd wiesz?”
Higgs i Relaxion
Kaplan odwiedzili Bay Area zeszłego lata, aby współpracować z Grahamem i Rajendranem, których znał, ponieważ wszyscy trzej pracowali w różnych czasach pod kierunkiem Dimopoulosa, który był jednym z kluczowych twórców supersymetrii. W ciągu ostatniego roku trio podzieliło swój czas między Berkeley i Stanford – oraz różne kawiarnie, lunche i lodziarnie graniczące z obu kampusami-wymieniając „embrionalne fragmenty idei”, powiedział Graham, i stopniowo rozwijając nową historię początków dla praw fizyki cząstek elementarnych.
zainspirowani próbą Larry ’ ego Abbotta z 1984 roku, aby rozwiązać inny problem naturalności w fizyce, starali się przekształcić masę Higgsa jako ewoluujący parametr, który mógłby dynamicznie „rozluźnić” do swojej maleńkiej wartości podczas narodzin kosmosu, zamiast zaczynać jako stała, pozornie nieprawdopodobna stała. „Chociaż zajęło to pół roku ślepych uliczek, naprawdę głupich modeli i bardzo barokowych, skomplikowanych rzeczy, wylądowaliśmy na tym bardzo prostym zdjęciu” – powiedział Kaplan.
w ich modelu masa Higgsa zależy od wartości liczbowej hipotetycznego pola przenikającego przestrzeń i czas: pola aksjonowego. Aby to sobie wyobrazić, „myślimy o całości przestrzeni jako o tym materacu 3D”, powiedział Dimopoulos. Wartość w każdym punkcie pola odpowiada temu, w jaki sposób sprężone są sprężyny materaca. Od dawna wiadomo, że istnienie tego materaca-i jego wibracje w postaci aksjonów – mogą rozwiązać dwie głębokie tajemnice: Po pierwsze, pole aksjonowe wyjaśniałoby, dlaczego większość interakcji między protonami i neutronami przebiega zarówno do przodu, jak i do tyłu, rozwiązując tak zwany problem „silnego CP”. Aksjony mogą tworzyć ciemną materię. Rozwiązanie problemu hierarchii byłoby trzecim imponującym osiągnięciem.
historia nowego modelu zaczyna się, gdy kosmos był kropką nasyconą energią. Materac axion był wyjątkowo ściśnięty, przez co masa Higgsa była ogromna. Gdy wszechświat się rozszerzał, sprężyny rozluźniały się, jakby ich energia rozprzestrzeniała się przez sprężyny nowo utworzonej przestrzeni. Gdy energia się rozpraszała, tak samo jak masa Higgsa. Kiedy masa spadła do swojej wartości bieżącej, spowodowało to, że powiązana zmienna zanurzyła się obok zera, włączając pole Higgsa, istotę podobną do molasu, która nadaje masę cząsteczkom, które się przez nią poruszają, takim jak elektrony i kwarki. Masywne kwarki z kolei oddziaływały z polem aksjonów, tworząc grzbiety w metaforycznym wzgórzu, w którym jego energia staczała się w dół. Pole osiowe utknęło. Podobnie jak masa Higgsa.
w tym, co Sundrum nazwało radykalnym zerwaniem z przeszłymi modelami, nowy pokazuje, jak współczesna hierarchia masy mogła zostać wyrzeźbiona przez narodziny kosmosu. „Fakt, że umieścili równania do tego w realistycznym sensie jest naprawdę niezwykły”, powiedział.
Dimopoulos zwrócił uwagę na uderzający minimalizm modelu, który wykorzystuje głównie wstępnie ustalone pomysły. „Ludzie tacy jak ja, którzy zainwestowali sporo w te inne podejścia do problemu hierarchii, byli bardzo szczęśliwie zaskoczeni, że nie musisz szukać zbyt daleko” – powiedział. „Na podwórku modelu standardowego było rozwiązanie. Potrzeba było bardzo mądrych młodych ludzi, żeby to zrozumieć.
Niedawno eksperyment Axion Dark Matter na University of Washington w Seattle rozpoczął poszukiwania rzadkich przekształceń aksjonów ciemnej materii w światło wewnątrz silnych pól magnetycznych. Dimopoulos powiedział: „powinniśmy szukać jeszcze trudniej, żeby go znaleźć.”
jednak, podobnie jak wielu ekspertów, Nima Arkani-Hamed z Institute for Advanced Study w Princeton, NJ, zauważyła, że to wczesne dni na tę propozycję. Choć” jest zdecydowanie sprytny”, jego obecna implementacja jest naciągana. Na przykład, aby pole aksjonowe utknęło na grzbietach utworzonych przez kwarki, a nie przetaczało się obok nich, inflacja kosmiczna musiała rozwijać się znacznie wolniej, niż zakładała większość kosmologów. „Dodajesz 10 miliardów lat inflacji” „Trzeba się zastanawiać, dlaczego cała kosmologia organizuje się tylko po to, aby tak się stało.”
i nawet jeśli aksjon zostanie odkryty, to samo nie udowodniłoby, że jest to „relaksacja” — że rozluźnia wartość masy Higgsa. Podczas pobytu Kaplana w Bay Area, On, Graham i Rajendran zaczynają opracowywać pomysły, jak przetestować ten aspekt swojego modelu. W końcu możliwe będzie oscylowanie pola aksjonowego, na przykład, aby sprawdzić, czy wpływa to na masy pobliskich cząstek elementarnych, poprzez masę Higgsa. „Zobaczyłbyś, jak masa elektronu porusza się”, powiedział Graham.
te testy wniosku nie będą miały miejsca przez wiele lat. (Model nie przewiduje żadnych nowych zjawisk, które LHC wykryje.) I realnie, kilku ekspertów stwierdziło, że ma duże szanse. Tak wiele sprytnych propozycji zawiodło przez lata, że wielu fizyków jest odruchowo sceptycznych. Mimo to intrygujący nowy model dostarcza terminowej dawki optymizmu.
„myśleliśmy, że o wszystkim pomyśleliśmy, a pod słońcem nie było nic nowego” – powiedział Sundrum. „To pokazuje, że ludzie są dość inteligentni i wciąż jest miejsce na nowe przełomy.”
Uwaga wydawcy: David Kaplan prowadzi serię filmów in Theory magazynu Quanta.
ten artykuł został wydrukowany na Wired.com.