"Tumedas dimensioonis" otsivad füüsikud puuduvat ainet | Ajakiri Quanta

Mis puutub universumi struktuuri mõistmisse, siis suurem osa sellest, mida teadlased arvavad, on pimedas ja häguses valdkonnas. Tavaline aine, asjad, mida me näeme ja katsume, moodustavad vaid 5% kosmosest. Ülejäänu on kosmoloogide sõnul tume energia ja tumeaine, salapärased ained, mis on osaliselt märgistatud "tumedateks", et peegeldada meie teadmatust nende tegelikust olemusest.

Kuigi ükski idee ei selgita tõenäoliselt kõike, mida loodame kosmose kohta teada saada, võib kaks aastat tagasi tutvustatud idee vastata mõnele suurele küsimusele. Kutsus tumeda dimensiooni stsenaarium, pakub see tumeaine spetsiifilist retsepti ning viitab tumeaine ja tumeda energia lähedasele seosele. Stsenaarium võib meile ka öelda, miks gravitatsioon – mis kujundab universumi suurimal skaalal – on teiste jõududega võrreldes nii nõrk.

Stsenaarium pakub välja seninägematu mõõtme, mis elab niigi keerulises stringiteooria valdkonnas, mis püüab ühendada kvantmehaanikat ja Einsteini gravitatsiooniteooriat. Lisaks neljale tuttavale mõõtmele – kolm lõpmatult suurt ruumimõõdet pluss üks ajamõõde – viitab stringiteooria sellele, et on olemas kuus ülimalt pisikest ruumimõõdet.

Pimeda dimensiooni universumis on üks neist lisamõõtmetest teistest oluliselt suurem. Selle asemel, et olla 100 miljonit triljonit korda väiksem kui prootoni läbimõõt, on selle läbimõõt umbes 1 mikron – igapäevaste standardite järgi minut, kuid teistega võrreldes tohutu. Selles tumedas dimensioonis tekivad gravitatsioonijõudu kandvad massiivsed osakesed, mis moodustavad tumeaine, mis teadlaste arvates moodustab umbes 25% meie universumist ja moodustab galaktikaid koos hoidva liimi. (Praegused hinnangud näitavad, et ülejäänud 70% koosneb tumeenergiast, mis juhib universumi paisumist.)

Stsenaarium "võimaldab meil luua seoseid stringiteooria, kvantgravitatsiooni, osakeste füüsika ja kosmoloogia vahel, käsitledes samal ajal mõningaid nendega seotud mõistatusi," ütles ta. Ignatios Antoniadis, Sorbonne'i ülikooli füüsik, kes uurib aktiivselt tumeda mõõtme ettepanekut.

Kuigi veel puuduvad tõendid tumeda mõõtme olemasolu kohta, annab stsenaarium testitavaid ennustusi nii kosmoloogiliste vaatluste kui ka lauafüüsika jaoks. See tähendab, et me ei pea võib-olla kaua ootama, et näha, kas hüpotees peab empiirilise kontrolli all kehtima või langeb ahvatlevate ideede nimekirja, mis kunagi oma esialgset lubadust ei täitnud.

"Siin on ette nähtud pime mõõde," ütles füüsik Rajesh GopakumarBengaluru Rahvusvahelise Teoreetiliste Teaduste Keskuse direktoril on "võimalik, et eelseisvate katsete teravnedes on teda üsna lihtne välistada."

Pimeda Dimensiooni ennustamine

Tume mõõde oli inspireeritud kosmoloogilise konstandi kauaaegsest saladusest – terminist, mida tähistab kreeka täht lambda ja mille Albert Einstein võttis 1917. aastal oma gravitatsioonivõrranditesse. Uskudes staatilisesse universumisse, nagu ka paljud tema eakaaslased. , lisas Einstein selle termini, et võrrandid ei kirjeldaks paisuvat universumit. Kuid 1920. aastatel avastasid astronoomid, et universum tõepoolest paisub, ja 1998. aastal täheldasid nad, et see kasvab kiirendatud klipiga, mida liigutab praegu tavaliselt tumeenergia – mida võib võrrandites tähistada ka lambdaga.

Sellest ajast peale on teadlased maadelnud lambda ühe silmatorkava omadusega: selle hinnanguline väärtus on 10^-122 Plancki ühikutes on "füüsika väikseim mõõdetud parameeter", ütles Cumrun Vafa, Harvardi ülikooli füüsik. 2022. aastal, arvestades peaaegu hoomamatut väiksust oma uurimisrühma kahe liikmega — Miguel Montero, nüüd Madridi Teoreetilise Füüsika Instituudis ja Irene Valenzuela, praegu CERNis — Vafa sai ülevaate: nii väike lambda on tõeliselt äärmuslik parameeter, mis tähendab, et seda võiks vaadelda Vafa varasema stringiteooria töö raames.

Varem olid ta ja teised sõnastanud oletuse, mis selgitab, mis juhtub, kui oluline füüsikaline parameeter omandab äärmusliku väärtuse. Seda nimetatakse kauguse oletuseks, see viitab "kaugusele" abstraktses tähenduses: kui parameeter liigub võimaluse kaugema serva poole, eeldades seeläbi äärmuslikku väärtust, avaldab see mõju teistele parameetritele.

Seega ei ole stringiteooria võrrandites põhiväärtused – nagu osakeste mass, lambda või vastastikmõju tugevust määravad sidestuskonstandid – fikseeritud. Ühe muutmine mõjutab paratamatult ka teisi.

Näiteks erakordselt väikese lambdaga, nagu on täheldatud, peaksid kaasnema palju kergemad, nõrgalt interakteeruvad osakesed, mille mass on otseselt seotud lambda väärtusega. "Mis need võiksid olla?" imestas Vafa.

Kui ta ja ta kolleegid selle küsimuse üle mõtisklesid, mõistsid nad, et kauguse oletus ja stringiteooria annavad veel ühe olulise ülevaate: et need kerged osakesed ilmuksid, kui lambda on peaaegu null, peab üks stringiteooria lisamõõtmetest olema oluliselt suurem kui teised - võib-olla piisavalt suured, et saaksime selle olemasolu tuvastada ja isegi mõõta. Nad olid jõudnud pimedasse dimensiooni.

The Dark Tower

Järelduste valgusosakeste tekke mõistmiseks peame kosmoloogilist ajalugu tagasi kerima esimese mikrosekundini pärast Suurt Pauku. Sel ajal domineeris kosmoses kiirgus - footonid ja muud osakesed, mis liikusid valguse kiirusele lähedal. Neid osakesi kirjeldab juba osakeste füüsika standardmudel, kuid tumeda dimensiooni stsenaariumi korral võib tuttavate osakeste kokkupõrkes tekkida osakeste perekond, mis ei kuulu standardmudelisse.

"Aeg-ajalt põrkasid need kiirgusosakesed üksteisega kokku, tekitades nn tumedad gravitonid," ütles ta. Georges Obied, Oxfordi ülikooli füüsik, kes aitas meisterdada tumedate gravitonide teooria.

Tavaliselt määratlevad füüsikud gravitoneid massitute osakestena, mis liiguvad valguse kiirusel ja edastavad gravitatsioonijõudu, sarnaselt massita footonitele, mis edastavad elektromagnetilist jõudu. Kuid selle stsenaariumi korral, nagu Obied selgitas, tekitasid need varajased kokkupõrked teist tüüpi gravitoni - midagi massiga. Veelgi enam, nad tootsid mitmesuguseid gravitoneid.

"On üks massivaba graviton, mis on tavaline graviton, mida me teame," ütles Obied. "Ja siis on lõpmatult palju tumedate gravitonide koopiaid, mis kõik on massiivsed." Postuleeritud tumedate gravitonide massid on jämedalt öeldes täisarv korda konstant, M, mille väärtus on seotud kosmoloogilise konstandiga. Ja neid on terve “torn” laia massi- ja energiatasemete valikuga.

Et saada aimu, kuidas see kõik võiks toimida, kujutlege meie neljamõõtmelist maailma sfääri pinnana. Me ei saa sellelt pinnalt kunagi lahkuda – nii heas kui halvas – ja see kehtib ka standardmudeli iga osakese kohta.

Gravitonid võivad aga minna kõikjale, samal põhjusel, nagu gravitatsioon eksisteerib kõikjal. Ja siin tulebki sisse tume mõõde.

Vafa ütles, et selle mõõtme kujutamiseks mõelge meie neljamõõtmelise maailma kujuteldava pinna igale punktile ja kinnitage sellele väike silmus. See silmus on (vähemalt skemaatiliselt) lisamõõde. Kui kaks standardmudeli osakest põrkuvad kokku ja tekitavad gravitoni, võib graviton lekkida sellesse ekstramõõtmelisse ringi ja liikuda selle ümber nagu laine, ütles Vafa. (Kvantmehaanika ütleb meile, et iga osake, sealhulgas gravitonid ja footonid, võivad käituda nii osakeste kui ka lainetena – 100 aastat vana kontseptsioon, mida tuntakse laine-osakeste duaalsusena.)

Kui gravitonid lekivad pimedasse dimensiooni, võivad nende tekitatud lained olla erineva sagedusega, millest igaüks vastab erinevale energiatasemele. Ja need massiivsed gravitonid, mis liiguvad ümber ekstramõõtmelise ahela, tekitavad olulise gravitatsioonimõju kohas, kus silmus kera külge kinnitub.

"Võib-olla on see tumeaine?" Vafa muheles. Nende väljamõeldud gravitonid olid lõppude lõpuks nõrgalt interakteeruvad, kuid siiski võimelised saavutama mõningast gravitatsioonilist raskust. Ta märkis, et üks idee eeliseid on see, et gravitonid on olnud füüsika osa 90 aastat, olles esmakordselt pakutud gravitatsioonijõu kandjatena. (Tuleb märkida, et gravitoonid on hüpoteetilised osakesed ja neid ei ole otseselt tuvastatud.) Tumeaine selgitamiseks "ei pea me uut osakest kasutusele võtma," ütles ta.

Gravitonid, mis võivad lekkida ekstramõõtmelisse domeeni, on "tumeaine loomulikud kandidaadid", ütles. Georgi Dvali, Max Plancki Füüsika Instituudi direktor, kes ei tööta otseselt tumeda dimensiooni idee kallal.

Suures mõõtmes, nagu näiteks paigutatud tume mõõde, oleks ruumi pikkadele lainepikkustele, mis viitavad madala sagedusega, madala energiatarbega ja väikese massiga osakestele. Kui aga tume graviton lekiks ühte stringiteooria pisikestesse mõõtmetesse, oleks selle lainepikkus ülimalt lühike ning mass ja energia väga kõrged. Sellised ülimassiivsed osakesed oleksid ebastabiilsed ja väga lühiajalised. Dvali ütles, et need "oleksid ammu kadunud, ilma et neil oleks võimalik praeguses universumis tumeainena toimida."

Gravitatsioon ja selle kandja, gravitonid, läbivad kõik stringiteooria mõõtmed. Kuid tume mõõde on palju suurem – paljude suurusjärkude võrra – kui teised lisadimensioonid, et gravitatsiooni tugevus väheneks, muutes selle meie neljamõõtmelises maailmas nõrgaks, kui see imbuks märgatavalt avaramasse tumedasse dimensiooni. . "See seletab erakordset erinevust [tugevuses] gravitatsiooni ja teiste jõudude vahel," ütles Dvali, märkides, et sama efekti võib näha ka muud ekstradimensioonilised stsenaariumid.

Arvestades, et tumeda dimensiooni stsenaarium võib ennustada selliseid asju nagu tumeaine, võib selle panna empiirilisele testile. "Kui ma annan teile mingi korrelatsiooni, mida te ei saa kunagi testida, ei saa te kunagi tõestada, et ma eksin," ütles Valenzuela, raamatu kaasautor. originaalne tumedamõõtmeline paber. "Palju huvitavam on ennustada midagi, mida saate tegelikult tõestada või ümber lükata."

Pimeduse mõistatused

Astronoomid on teadnud, et tumeaine eksisteeris – vähemalt mingil kujul – alates aastast 1978, mil astronoom Vera Rubin tegi kindlaks, et galaktikad pöörlevad nii kiiresti, et nende äärealadel olevad tähed paiskuksid kaugusesse, kui poleks tohutuid reservuaare, mida poleks nähtamatu. neid tagasi hoidev aine. Selle aine tuvastamine on aga osutunud väga keeruliseks. Vaatamata ligi 40 aastat kestnud katsetele tumeaine tuvastamiseks, pole sellist osakest leitud.

Kui tumeaine osutub tumedateks gravitoniteks, mis suhtlevad äärmiselt nõrgalt, ütles Vafa, siis see ei muutu. "Neid ei leita kunagi otse."

Kuid võib olla võimalusi nende gravitonide allkirjade kaudseks tuvastamiseks.

Üks strateegia, mille Vafa ja tema kaastöötajad järgivad, tugineb suuremahulistele kosmoloogilistele uuringutele, mis kaardistavad galaktikate ja aine levikut. Obied ütles, et nendes jaotustes võivad klastrite käitumises olla väikesed erinevused, mis viitavad tumedate gravitonide olemasolule.

Kui raskemad tumedad gravitonid lagunevad, toodavad nad paar heledamat tumedat gravitonit, mille kombineeritud mass on veidi väiksem kui nende algosakesel. Puuduv mass muudetakse kineetiliseks energiaks (kooskõlas Einsteini valemiga, E = mc²), mis annab vastloodud gravitonitele veidi tõuke – "löögikiirust", mis on hinnanguliselt umbes kümnetuhandik valguse kiirusest.

Need löögikiirused võivad omakorda mõjutada galaktikate moodustumist. Standardse kosmoloogilise mudeli järgi saavad galaktikad alguse ainekogumikust, mille gravitatsiooniline tõmme tõmbab ligi rohkem ainet. Kuid piisava löögikiirusega gravitonid võivad sellest gravitatsioonilisest haardest pääseda. Kui nad seda teevad, on tulemuseks olev galaktika veidi vähem massiivne, kui standardne kosmoloogiline mudel ennustab. Astronoomid võivad seda erinevust otsida.

Hiljutised vaatlused kosmilise struktuuri kohta Kilo-Degree uuringust on seni kooskõlas tumeda mõõtmega: selle uuringu andmete analüüs asetatud ülemine piir löögikiirusel, mis oli väga lähedane Obiedi ja tema kaasautorite ennustatud väärtusele. Rangemat katset teeb kosmoseteleskoop Euclid, mis startis mullu juulis.

Vahepeal plaanivad füüsikud ka pimeda dimensiooni ideed laboris testida. Kui gravitatsioon lekib pimedasse dimensiooni, mille läbimõõt on 1 mikron, võiks põhimõtteliselt otsida mis tahes kõrvalekaldeid eeldatavast gravitatsioonijõust kahe sama vahemaaga eraldatud objekti vahel. Seda katset pole lihtne läbi viia, ütles Armin Shayeghi, Austria Teaduste Akadeemia füüsik, kes testi viib läbi. Kuid "seal on lihtne põhjus, miks me peame selle katse tegema," lisas ta: me ei tea, kuidas gravitatsioon nii lähedalt käitub, enne, kui vaatame.

. seni lähim mõõt — viidi läbi 2020. aastal Washingtoni ülikoolis — hõlmas 52-mikronilist vahet kahe katsekeha vahel. Austria rühm loodab lõpuks saavutada pimeda mõõtme jaoks ennustatud 1-mikronilise vahemiku.

Kuigi füüsikud peavad tumeda mõõtme ettepanekut intrigeerivaks, on mõned skeptilised, et see õnnestub. "Täpsemate katsete abil lisamõõtmete otsimine on väga huvitav asi," ütles Juan Maldacena, kõrguuringute instituudi füüsik, "kuigi ma arvan, et nende leidmise tõenäosus on väike."

Joseph Conlon, Oxfordi füüsik, jagab seda skeptitsismi: "On palju ideid, mis oleksid olulised, kui need oleksid tõesed, kuid tõenäoliselt mitte. See on üks neist. Oletused, millel see põhineb, on mõnevõrra ambitsioonikad ja ma arvan, et praegused tõendid nende kohta on üsna nõrgad.

Muidugi võib tõendite kaal muutuda, mistõttu teeme esmajoones katseid. Tumeda dimensiooni ettepanek, kui seda toetavad eelseisvad katsed, võib viia meid lähemale arusaamisele, mis on tumeaine, kuidas see on seotud nii tumeda energia kui ka gravitatsiooniga ning miks gravitatsioon tundub teiste teadaolevate jõududega võrreldes nõrk. "Teoreetikud püüavad alati seda "kokku siduda". Tume mõõde on üks paljutõotavamaid ideid, mida ma selles suunas kuulnud olen,“ ütles Gopakumar.

Kuid üks asi, mida tumeda dimensiooni hüpotees ei suuda seletada, on irooniline, miks kosmoloogiline konstant on nii jahmatavalt väike – see on mõistatuslik fakt, mis kogu selle uurimissuuna sisuliselt algatas. "On tõsi, et see programm seda fakti ei selgita," tunnistas Vafa. "Kuid selle stsenaariumi põhjal võime öelda, et kui lambda on väike - ja selle tagajärjed välja selgitate - võib paika loksuda terve hulk hämmastavaid asju."