"Pimeässä ulottuvuudessa" fyysikot etsivät puuttuvaa ainetta | Quanta-lehti

Mitä tulee maailmankaikkeuden rakenteen ymmärtämiseen, suurin osa siitä, mitä tiedemiehet uskovat olevan olemassa, on siirretty pimeään, hämärään alueeseen. Tavallinen aine, tavara, jota voimme nähdä ja koskettaa, muodostaa vain 5 % kosmoksesta. Kosmologit sanovat, että loput ovat pimeää energiaa ja pimeää ainetta, salaperäisiä aineita, jotka on leimattu "pimeiksi" osittain heijastamaan tietämättömyyttämme niiden todellisesta luonteesta.

Vaikka mikään yksittäinen idea ei todennäköisesti selitä kaikkea, mitä toivomme tietävämme kosmoksesta, kaksi vuotta sitten esitelty idea voisi vastata muutamaan suureen kysymykseen. Soitti pimeän ulottuvuuden skenaario, se tarjoaa erityisen reseptin pimeälle aineelle, ja se ehdottaa läheistä yhteyttä pimeän aineen ja pimeän energian välillä. Skenaario saattaa myös kertoa meille, miksi painovoima - joka muotoilee maailmankaikkeuden suurimmassa mittakaavassa - on niin heikko verrattuna muihin voimiin.

Skenaario ehdottaa vielä näkymätöntä ulottuvuutta, joka elää jo ennestään monimutkaisen jousiteorian alueella, joka yrittää yhdistää kvanttimekaniikan ja Einsteinin painovoimateorian. Neljän tutun ulottuvuuden – kolme äärettömän suurta tilaulottuvuutta ja yksi aika – lisäksi merkkijonoteoria ehdottaa, että on olemassa kuusi tavattoman pientä tilaulottuvuutta.

Pimeän ulottuvuuden universumissa yksi noista ylimääräisistä ulottuvuuksista on huomattavasti suurempi kuin muut. Sen sijaan, että se olisi 100 miljoonaa biljoonaa kertaa pienempi kuin protonin halkaisija, sen halkaisija on noin 1 mikroni – jokapäiväisillä standardeilla minuutti, mutta valtava verrattuna muihin. Tässä pimeässä ulottuvuudessa syntyy massiivisia gravitaatiovoimaa kuljettavia hiukkasia, jotka muodostavat pimeän aineen, jonka tiedemiehet uskovat muodostavan noin 25 % maailmankaikkeudesta ja muodostavan liiman, joka pitää galakseja yhdessä. (Nykyisten arvioiden mukaan loput 70 % koostuu pimeästä energiasta, joka ohjaa universumin laajenemista.)

Skenaario "antaa meille mahdollisuuden luoda yhteyksiä merkkijonoteorian, kvanttigravitaation, hiukkasfysiikan ja kosmologian välillä ja samalla käsitellä joitain niihin liittyviä mysteereitä", sanoi. Ignatios Antoniadis, Sorbonnen yliopiston fyysikko, joka tutkii aktiivisesti pimeän ulottuvuuden ehdotusta.

Vaikka pimeän ulottuvuuden olemassaolosta ei ole vielä todisteita, skenaario antaa testattavia ennusteita sekä kosmologisille havainnoille että pöytäfysiikkaalle. Tämä tarkoittaa, että meidän ei ehkä tarvitse odottaa kauan nähdäksemme, kestääkö hypoteesi empiirisen tarkastelun alaisena - vai putotaanko houkuttelevien ideoiden luetteloon, jotka eivät koskaan täyttäneet alkuperäistä lupaustaan.

"Täällä kuviteltu pimeä ulottuvuus", fyysikko sanoi Rajesh GopakumarBengalurussa sijaitsevan kansainvälisen teoreettisten tieteiden keskuksen johtajalla on "hyve, että hänet voidaan sulkea pois melko helposti tulevien kokeiden kasvaessa".

Pimeän ulottuvuuden ennustaminen

Pimeän ulottuvuuden inspiroi pitkäaikainen mysteeri, joka liittyy kosmologiseen vakioon – termiin, jota kutsutaan kreikkalaisella kirjaimella lambda ja jonka Albert Einstein sisällytti painovoimayhtälöihinsä vuonna 1917. Uskoi staattiseen universumiin, kuten monet hänen ikäisensä tekivät. , Einstein lisäsi termin, jotta yhtälöt eivät kuvaile laajenevaa maailmankaikkeutta. Mutta 1920-luvulla tähtitieteilijät havaitsivat, että maailmankaikkeus todellakin turpoaa, ja vuonna 1998 he havaitsivat, että se kasvaa kiihtyvällä nopeudella, jota ajaa eteenpäin se, mitä nykyään yleisesti kutsutaan pimeäksi energiaksi – jota voidaan myös merkitä yhtälöissä lambdalla.

Siitä lähtien tiedemiehet ovat painineet yhden lambdan silmiinpistävän ominaisuuden kanssa: sen arvioitu arvo 10^-122 Planckin yksiköissä on "fysiikan pienin mitattu parametri", sanoi Cumrun Vafa, fyysikko Harvardin yliopistossa. Vuonna 2022, kun ajatellaan sitä lähes käsittämätöntä pienuutta hänen tutkimusryhmänsä kahden jäsenen kanssa - Miguel Montero, nyt Madridin teoreettisen fysiikan instituutissa ja Irene Valenzuela, tällä hetkellä CERNissä — Vafa sai näkemyksen: Tällainen pieni lambda on todella äärimmäinen parametri, joten sitä voitaisiin harkita Vafan aiemman jousiteorian työn puitteissa.

Aiemmin hän ja muut olivat muotoilleet olettamuksen, joka selittää, mitä tapahtuu, kun tärkeä fyysinen parametri saa äärimmäisen arvon. Sitä kutsutaan etäisyysarvaukseksi, ja se viittaa "etäisyyteen" abstraktissa merkityksessä: Kun parametri liikkuu kohti mahdollisuuden kaukaista reunaa ja olettaa siten ääriarvon, sillä on vaikutuksia muihin parametreihin.

Siten merkkijonoteorian yhtälöissä avainarvot - kuten hiukkasten massat, lambda tai vuorovaikutuksen voimakkuuden sanelevat kytkentävakiot - eivät ole kiinteitä. Yhden muuttaminen vaikuttaa väistämättä muihin.

Esimerkiksi poikkeuksellisen pieneen lambdaan, kuten on havaittu, tulisi liittyä paljon kevyempiä, heikosti vuorovaikutuksessa olevia hiukkasia, joiden massat ovat suoraan yhteydessä lambdan arvoon. "Mitä ne voisivat olla?" Vafa ihmetteli.

Kun hän ja hänen kollegansa pohtivat tätä kysymystä, he ymmärsivät, että etäisyysoletus ja merkkijonoteoria yhdessä antoivat vielä yhden tärkeän näkemyksen: jotta nämä kevyet hiukkaset ilmestyisivät, kun lambda on melkein nolla, yhden jousiteorian lisämitoista on oltava huomattavasti suurempi kuin toiset – ehkä tarpeeksi suuria, jotta voimme havaita sen läsnäolon ja jopa mitata sen. He olivat saapuneet pimeään ulottuvuuteen.

Musta torni

Ymmärtääksemme pääteltyjen valohiukkasten synnyn meidän on kelattava kosmologinen historia ensimmäiseen mikrosekuntiin alkuräjähdyksen jälkeen. Tuohon aikaan kosmosta hallitsi säteily - fotonit ja muut hiukkaset, jotka liikkuivat lähellä valonnopeutta. Nämä hiukkaset on kuvattu jo hiukkasfysiikan vakiomallissa, mutta pimeän ulottuvuuden skenaariossa voi syntyä hiukkasperhe, joka ei ole osa Standardimallia, kun tutut törmäävät yhteen.

"Aina silloin tällöin nämä säteilyhiukkaset törmäsivät toisiinsa luoden niin sanottuja "tummia gravitoneja", sanoi Georges Obied, fyysikko Oxfordin yliopistosta, joka auttoi käsityötä tummien gravitonien teoria.

Normaalisti fyysikot määrittelevät gravitonit massattomiksi hiukkasiksi, jotka kulkevat valon nopeudella ja välittävät gravitaatiovoimaa, kuten massattomat fotonit, jotka välittävät sähkömagneettista voimaa. Mutta tässä skenaariossa, kuten Obied selitti, nämä varhaiset törmäykset loivat toisenlaisen gravitonin - jotain, jolla oli massaa. Lisäksi he tuottivat erilaisia ​​gravitoneja.

"On yksi massaton gravitoni, joka on tavallinen gravitoni, jonka tunnemme", Obied sanoi. "Ja sitten on äärettömän monta kopiota tummista gravitoneista, jotka kaikki ovat massiivisia." Oletettujen tummien gravitonien massat ovat karkeasti sanottuna kokonaisluku kertaa vakio, M, jonka arvo on sidottu kosmologiseen vakioon. Ja niitä on kokonainen "torni", jolla on laaja valikoima massa- ja energiatasoja.

Saadaksesi käsityksen siitä, kuinka tämä kaikki voisi toimia, kuvittele neliulotteinen maailmamme pallon pintana. Emme voi jättää sitä pintaa koskaan - hyvässä tai huonossa - ja se pätee myös jokaiselle vakiomallin hiukkaselle.

Gravitonit voivat kuitenkin kulkea kaikkialla samasta syystä kuin painovoimaa on kaikkialla. Ja siinä pimeä ulottuvuus astuu sisään.

Vafa sanoi, että kuvitellaksesi tuon ulottuvuuden, ajattele jokaista pistettä neliulotteisen maailmamme kuvitellun pinnalla ja kiinnitä siihen pieni silmukka. Tuo silmukka on (ainakin kaavamaisesti) ylimääräinen ulottuvuus. Jos kaksi vakiomallin hiukkasta törmäävät ja muodostavat gravitonin, gravitoni "voi vuotaa tuohon yliulotteiseen ympyrään ja kulkea sen ympäri aallon lailla", Vafa sanoi. (Kvanttimekaniikka kertoo meille, että jokainen hiukkanen, mukaan lukien gravitonit ja fotonit, voi käyttäytyä sekä hiukkasena että aaltona - 100 vuotta vanha käsite, joka tunnetaan aalto-hiukkas-kaksinaisuudena.)

Kun gravitonit vuotavat pimeään ulottuvuuteen, niiden tuottamilla aalloilla voi olla eri taajuuksia, joista jokainen vastaa eri energiatasoja. Ja ne massiiviset gravitonit, jotka kulkevat yliulotteisen silmukan ympäri, tuottavat merkittävän gravitaatiovaikutuksen kohdassa, jossa silmukka kiinnittyy palloon.

"Ehkä tämä on pimeä aine?" Vafa mietti. Heidän keksimänsä gravitonit olivat loppujen lopuksi heikosti vuorovaikutuksessa, mutta pystyivät keräämään jonkin verran painovoimaa. Yksi idean ansio, hän totesi, on, että gravitonit ovat olleet osa fysiikkaa 90 vuoden ajan, ja niitä on ensin ehdotettu gravitaatiovoiman kantajiksi. (On huomattava, että gravitonit ovat hypoteettisia hiukkasia, eikä niitä ole havaittu suoraan.) Pimeän aineen selittämiseksi "meidän ei tarvitse ottaa käyttöön uutta hiukkasta", hän sanoi.

Gravitonit, jotka voivat vuotaa yliulotteiseen alueeseen, ovat "luonnollisia ehdokkaita pimeälle aineelle", sanoi. Georgi Dvali, Max Planck Institute for Physicsin johtaja, joka ei työskentele suoraan pimeän ulottuvuuden idean parissa.

Suuressa ulottuvuudessa, kuten sijoitetussa pimeässä ulottuvuudessa, olisi tilaa pitkille aallonpituuksille, jotka tarkoittavat matalataajuisia, matalaenergiaisia ​​ja pienimassaisia ​​hiukkasia. Mutta jos tumma gravitoni vuotaisi johonkin merkkijonoteorian pieniin mittoihin, sen aallonpituus olisi tavattoman lyhyt ja sen massa ja energia erittäin korkea. Tällaiset supermassiiviset hiukkaset olisivat epävakaita ja hyvin lyhytikäisiä. Ne "olisivat kauan poissa", Dvali sanoi, "ilman mahdollisuutta toimia pimeänä aineena nykyisessä maailmankaikkeudessa".

Painovoima ja sen kantajat, gravitonit, läpäisevät kaikki kieleteorian ulottuvuudet. Mutta tumma ulottuvuus on niin paljon suurempi - monilla suuruusluokilla - kuin muut ylimääräiset mitat, että painovoiman voimakkuus laimenisi, mikä saa sen näyttämään heikolta neliulotteisessa maailmassamme, jos se tunkeutuisi huomattavasti tilavampaan pimeään ulottuvuuteen. . "Tämä selittää poikkeuksellisen eron [voimassa] painovoiman ja muiden voimien välillä", sanoi Dvali ja huomautti, että tämä sama vaikutus nähdään muita ylimääräisiä skenaarioita.

Koska pimeän ulottuvuuden skenaario voi ennustaa asioita, kuten pimeää ainetta, se voidaan testata empiirisesti. "Jos annan sinulle korrelaation, jota et voi koskaan testata, et voi koskaan todistaa minua vääräksi", sanoi Valenzuela, yksi kirjoittajista. alkuperäinen tumma paperi. "On paljon mielenkiintoisempaa ennustaa jotain, jonka voit todella todistaa tai kumota."

Pimeyden arvoituksia

Tähtitieteilijät ovat tienneet pimeän aineen olemassaolosta – ainakin jossain muodossa – vuodesta 1978, jolloin tähtitieteilijä Vera Rubin totesi, että galaksit pyörivät niin nopeasti, että niiden syrjäisimmillä reunoilla olevat tähdet sinkoutuisivat kaukaisuuteen, ellei olisi olemassa suuria näkymättömiä altaita. aine pidättelee niitä. Tämän aineen tunnistaminen on kuitenkin osoittautunut erittäin vaikeaksi. Huolimatta lähes 40 vuoden kokeellisista yrityksistä havaita pimeää ainetta, tällaista hiukkasta ei ole löydetty.

Jos pimeä aine osoittautuu tummiksi gravitoneiksi, jotka ovat erittäin heikosti vuorovaikutuksessa, Vafa sanoi, se ei muutu. "Heitä ei koskaan löydy suoraan."

Mutta saattaa olla mahdollisuuksia epäsuorasti havaita noiden gravitonien allekirjoitukset.

Eräs Vafa ja hänen yhteistyökumppaninsa ajamat strategiat perustuvat laajamittaisiin kosmologisiin tutkimuksiin, jotka kartoittavat galaksien ja aineen jakautumista. Noissa jakaumissa saattaa olla "pieniä eroja klusterointikäyttäytymisessä", Obied sanoi, mikä merkitsisi tummien gravitonien läsnäoloa.

Kun raskaammat tummat gravitonit hajoavat, ne tuottavat parin vaaleampaa tummaa gravitonia, joiden yhdistetty massa on hieman pienempi kuin niiden emohiukkasen. Puuttuva massa muunnetaan kineettiseksi energiaksi (Einsteinin kaavan mukaisesti, E = mc²), joka antaa äskettäin luoduille gravitoneille hieman lisäpotkua - "potkunopeuden", jonka arvioidaan olevan noin yksi kymmenen tuhannesosa valon nopeudesta.

Nämä potkunopeudet puolestaan ​​voivat vaikuttaa galaksien muodostumiseen. Tavallisen kosmologisen mallin mukaan galaksit alkavat aineryhmästä, jonka vetovoima vetää puoleensa enemmän ainetta. Mutta gravitonit, joilla on riittävä potkunopeus, voivat välttyä tästä painovoimapidosta. Jos he tekevät niin, tuloksena oleva galaksi on hieman vähemmän massiivinen kuin tavallinen kosmologinen malli ennustaa. Tähtitieteilijät voivat etsiä tätä eroa.

Viimeaikaiset havainnot kosmisesta rakenteesta Kilo-Degree Surveysta ovat toistaiseksi yhdenmukaisia ​​pimeän ulottuvuuden kanssa: Kyseisen tutkimuksen tietojen analyysi asetti ylärajan potkunopeudella, joka oli hyvin lähellä Obiedin ja hänen kirjoittajiensa ennustamaa arvoa. Tiukempi testi tulee Euclid-avaruusteleskoopilta, joka laukaistiin viime heinäkuussa.

Samaan aikaan fyysikot suunnittelevat myös pimeän ulottuvuuden idean testaamista laboratoriossa. Jos painovoima vuotaa tummaan ulottuvuuteen, jonka halkaisija on 1 mikroni, voitaisiin periaatteessa etsiä poikkeamia odotetusta gravitaatiovoimasta kahden saman etäisyyden päässä toisistaan ​​erotetun kohteen välillä. Se ei ole helppo kokeilu suorittaa, sanoi Armin Shayeghi, Itävallan tiedeakatemian fyysikko, joka suorittaa testiä. Mutta "on yksinkertainen syy, miksi meidän täytyy tehdä tämä kokeilu", hän lisäsi: Emme tiedä, kuinka painovoima käyttäytyy niin lähellä etäisyyttä, ennen kuin katsomme.

- lähin mittaus tähän mennessä - toteutettiin vuonna 2020 Washingtonin yliopistossa - sisälsi 52 mikronin eron kahden testikappaleen välillä. Itävaltalainen ryhmä toivoo lopulta saavuttavansa pimeälle ulottuvuudelle ennustetun 1 mikronin alueen.

Vaikka fyysikot pitävät pimeän ulottuvuuden ehdotusta kiehtovana, jotkut epäilevät sen toteutuvan. "Lisämittojen etsiminen tarkempien kokeiden avulla on erittäin mielenkiintoista", sanoi Juan Maldacena, Institute for Advanced Studyn fyysikko, "vaikka uskon, että niiden löytämisen todennäköisyys on pieni."

Joseph Conlon, fyysikko Oxfordista, jakaa tämän skeptisyyden: "On monia ajatuksia, jotka olisivat tärkeitä, jos ne olisivat totta, mutta eivät todennäköisesti ole. Tämä on yksi niistä. Oletukset, joihin se perustuu, ovat melko kunnianhimoisia, ja mielestäni nykyinen näyttö niistä on melko heikko."

Tietenkin todisteiden paino voi muuttua, minkä vuoksi teemme kokeita ensisijaisesti. Pimeän ulottuvuuden ehdotuksella, jos tulevat testit tukevat sitä, on potentiaalia tuoda meidät lähemmäksi ymmärtämistä, mitä pimeä aine on, kuinka se liittyy sekä pimeään energiaan että painovoimaan ja miksi painovoima näyttää heikolta verrattuna muihin tunnettuihin voimiin. "Teoreetikot yrittävät aina tehdä tätä "sidontaa yhteen". Pimeä ulottuvuus on yksi lupaavimpia ideoita, joita olen kuullut tähän suuntaan, Gopakumar sanoi.

Mutta ironisena käänteenä, yksi asia, jota pimeän ulottuvuuden hypoteesi ei voi selittää, on se, miksi kosmologinen vakio on niin hämmästyttävän pieni - hämmentävä tosiasia, joka pohjimmiltaan aloitti koko tämän tutkimuslinjan. "On totta, että tämä ohjelma ei selitä sitä tosiasiaa", Vafa myönsi. "Mutta voimme sanoa tämän skenaarion perusteella, että jos lambda on pieni - ja täsmennät sen seuraukset - joukko hämmästyttäviä asioita voi loksahtaa paikoilleen."