A „sötét dimenzióban” a fizikusok hiányzó anyagot keresnek | Quanta Magazin

Az univerzum szövetének megértését illetően a legtöbb, amit a tudósok léteznek vélnek, egy sötét, homályos tartományba tartozik. A közönséges anyag, a látható és megérinthető dolgok a kozmosz mindössze 5%-át teszik ki. A többi a kozmológusok szerint a sötét energia és a sötét anyag, olyan titokzatos anyagok, amelyeket „sötétnek” neveznek, részben azért, hogy tükrözzék valódi természetükkel kapcsolatos tudatlanságunkat.

Bár valószínűleg egyetlen ötlet sem magyarázza meg mindazt, amit a kozmoszról remélünk tudni, egy két évvel ezelőtt bemutatott ötlet néhány nagy kérdésre választ adhat. Hívta a sötét dimenziós forgatókönyv, konkrét receptet kínál a sötét anyagra, és bensőséges kapcsolatot sugall a sötét anyag és a sötét energia között. A forgatókönyv azt is megmondhatja, hogy a gravitáció – amely a legnagyobb léptékű univerzumot faragja – miért olyan gyenge a többi erőhöz képest.

A forgatókönyv egy olyan, még nem látott dimenziót javasol, amely a húrelmélet amúgy is összetett birodalmában él, és megkísérli egyesíteni a kvantummechanikát és az Einstein-féle gravitációelméletet. A négy ismert dimenzió mellett – három végtelenül nagy térdimenzió és egy idődimenzió – a húrelmélet azt sugallja, hogy hat rendkívül apró térdimenzió létezik.

A sötét dimenzió univerzumában az egyik extra dimenzió lényegesen nagyobb, mint a többi. Ahelyett, hogy 100 millió billiószor kisebb lenne egy proton átmérőjénél, átmérője körülbelül 1 mikron – a mindennapi szabványok szerint perc, de a többihez képest óriási. A gravitációs erőt hordozó masszív részecskék ebben a sötét dimenzióban keletkeznek, és ezek alkotják a sötét anyagot, amely a tudósok szerint az univerzumunk körülbelül 25%-át teszi ki, és a galaxisokat összetartó ragasztót alkotja. (A jelenlegi becslések szerint a fennmaradó 70%-ot sötét energia teszi ki, amely az univerzum tágulását hajtja.)

A forgatókönyv „lehetővé teszi számunkra, hogy kapcsolatot teremtsünk a húrelmélet, a kvantumgravitáció, a részecskefizika és a kozmológia között, miközben megválaszol néhány, a velük kapcsolatos rejtélyt” – mondta. Ignatios Antoniadis, a Sorbonne Egyetem fizikusa, aki aktívan vizsgálja a sötét dimenzió javaslatát.

Bár még nincs bizonyíték a sötét dimenzió létezésére, a forgatókönyv tesztelhető előrejelzéseket ad mind a kozmológiai megfigyelések, mind az asztali fizika szempontjából. Ez azt jelenti, hogy nem kell sokáig várnunk, hogy meglássuk, vajon a hipotézis bevált-e az empirikus vizsgálat során – vagy lekerülünk azon kínzó ötletek listájára, amelyek soha nem váltották be eredeti ígéretüket.

„Az itt elképzelt sötét dimenzió” – mondta a fizikus Rajesh Gopakumar, a bengalurui Nemzetközi Elméleti Tudományok Központjának igazgatója, „az az erény, hogy könnyen kizárható, ahogy a közelgő kísérletek egyre élesebbek lesznek”.

A Sötét Dimenzió megjóslása

A sötét dimenziót a kozmológiai állandóval kapcsolatos, régóta fennálló rejtély ihlette – ez a kifejezés, amelyet a görög lambda betűvel jelölnek, és amelyet Albert Einstein 1917-ben iktatott be gravitációs egyenleteibe. Hisz a statikus univerzumban, akárcsak sok társa. , Einstein hozzáadta a kifejezést, hogy az egyenletek ne írjanak le egy táguló univerzumot. Ám az 1920-as években a csillagászok felfedezték, hogy az univerzum valóban megduzzad, és 1998-ban megfigyelték, hogy felgyorsult növekszik, amit a manapság általában sötét energiaként emlegetnek mozgatva – amely egyenletekben lambdával is jelölhető.

Azóta a tudósok a lambda egyetlen szembetűnő tulajdonságával küzdöttek: a becsült értéke 10^-122 A Planck-egységben „a legkisebb mért paraméter a fizikában” – mondta Cumrun Vafa, a Harvard Egyetem fizikusa. 2022-ben, figyelembe véve azt a szinte kifürkészhetetlen kicsinységet kutatócsoportjának két tagjával – Miguel Montero, most a madridi Institute for Theoretical Physics, és Irene Valenzuela, jelenleg a CERN-ben — A Vafa rálátása volt: Egy ilyen kicsi lambda valóban extrém paraméter, vagyis Vafa korábbi húrelméleti munkáinak keretein belül is szóba jöhet.

Korábban ő és mások megfogalmaztak egy sejtést, amely megmagyarázza, mi történik, ha egy fontos fizikai paraméter szélsőséges értéket vesz fel. Távolság-sejtésnek nevezik, absztrakt értelemben a „távolságra” utal: Amikor egy paraméter a lehetőség távoli széle felé mozog, és ezáltal szélsőséges értéket vesz fel, ennek következményei lesznek a többi paraméterre.

Így a húrelmélet egyenleteiben a kulcsértékek – például a részecsketömeg, a lambda vagy a kölcsönhatások erősségét meghatározó csatolási állandók – nincsenek rögzítve. Az egyik megváltoztatása elkerülhetetlenül hatással lesz a többire is.

Például egy rendkívül kicsi lambdát, amint azt megfigyeltük, sokkal könnyebb, gyengén kölcsönható részecskéknek kell kísérniük, amelyek tömege közvetlenül kapcsolódik a lambda értékéhez. – Mik lehetnek? Vafa csodálkozott.

Miközben ő és kollégái ezen a kérdésen töprengtek, rájöttek, hogy a távolság-sejtés és a húrelmélet együttesen még egy kulcsfontosságú betekintést nyújtanak: ahhoz, hogy ezek a könnyű részecskék megjelenjenek, amikor a lambda szinte nulla, a húrelmélet egyik extra dimenziójának lényegesen nagyobbnak kell lennie, mint a húrelmélet. mások – talán elég nagyok ahhoz, hogy észleljük a jelenlétét, sőt meg is mérjük. Megérkeztek a sötét dimenzióba.

The Dark Tower

Ahhoz, hogy megértsük a kikövetkeztetett fényrészecskék keletkezését, vissza kell tekernünk a kozmológiai történelmet az Ősrobbanás utáni első mikroszekundumra. Ebben az időben a kozmoszt a sugárzás uralta – a fotonok és más részecskék, amelyek közel a fénysebességhez mozogtak. Ezeket a részecskéket a részecskefizika standard modellje már leírja, de a sötét dimenziós forgatókönyvben olyan részecskék családja alakulhat ki, amelyek nem részei a Standard Modellnek, amikor az ismerős részecskék összecsapnak.

"Időnként ezek a sugárzás részecskék ütköztek egymással, létrehozva az úgynevezett "sötét gravitonokat"" - mondta. Georges Obied, az Oxfordi Egyetem fizikusa, aki segített a kézműveskedésben a sötét gravitonok elmélete.

A fizikusok a gravitonokat általában tömeg nélküli részecskékként határozzák meg, amelyek fénysebességgel haladnak és közvetítik a gravitációs erőt, hasonlóan az elektromágneses erőt közvetítő tömeg nélküli fotonokhoz. De ebben a forgatókönyvben, ahogy Obied kifejtette, ezek a korai ütközések egy másik típusú gravitont hoztak létre – valami tömeggel. Sőt, különféle gravitonokat állítottak elő.

„Van egy tömeg nélküli graviton, ami az általunk ismert szokásos graviton” – mondta Obied. "És aztán végtelenül sok másolata van a sötét gravitonoknak, amelyek mindegyike hatalmas." A feltételezett sötét gravitonok tömege durván szólva egész szám szorozva egy állandóval, M, amelynek értéke a kozmológiai állandóhoz van kötve. És van belőlük egy egész „torony”, tömegek és energiaszintek széles skálájával.

Ahhoz, hogy megértsük, hogyan működhet ez az egész, képzeljük el négydimenziós világunkat egy gömb felszíneként. Ezt a felületet nem hagyhatjuk el, sem jóban, sem rosszban, és ez a Standard Modell minden részecskéjére is igaz.

A gravitonok azonban bárhová eljuthatnak, ugyanazon okból, amiért a gravitáció mindenhol létezik. És itt jön be a sötét dimenzió.

Vafa azt mondta, hogy ennek a dimenziónak a képéhez gondoljunk négydimenziós világunk elképzelt felületének minden pontjára, és csatoljunk hozzá egy kis hurkot. Ez a hurok (legalábbis sematikusan) az extra dimenzió. Ha két Standard Modell részecske ütközik, és gravitont hoz létre, a graviton „beszivároghat abba az extradimenziós körbe, és hullámként utazhat körül” – mondta Vafa. (A kvantummechanika azt mondja, hogy minden részecske, beleértve a gravitonokat és a fotonokat is, részecskeként és hullámként is viselkedhet – ez a 100 éves fogalom hullám-részecske kettősségként ismert.)

Ahogy a gravitonok a sötét dimenzióba szivárognak, az általuk keltett hullámok különböző frekvenciájúak lehetnek, mindegyik más-más energiaszintnek felel meg. És azok a hatalmas gravitonok, amelyek az extradimenziós hurok körül mozognak, jelentős gravitációs hatást fejtenek ki azon a ponton, ahol a hurok a gömbhöz kapcsolódik.

– Talán ez a sötét anyag? – tűnődött Vafa. Az általuk kitalált gravitonok végül is gyengén hatnak egymásra, de képesek voltak némi gravitációs terhelésre. Megjegyezte, az ötlet egyik érdeme, hogy a gravitonok 90 éve a fizika részét képezik, és először javasolták a gravitációs erő hordozóinak. (Meg kell jegyezni, hogy a gravitonok hipotetikus részecskék, és közvetlenül nem észlelték őket.) A sötét anyag magyarázatához „nem kell új részecskét bevezetnünk” – mondta.

A gravitonok, amelyek beszivároghatnak az extradimenziós tartományba, „természetes jelöltek a sötét anyag számára” – mondta. Georgi Dvali, a Max Planck Fizikai Intézet igazgatója, aki nem közvetlenül a sötét dimenzió ötletén dolgozik.

Egy nagy dimenzió, mint például a felállított sötét dimenzió, elegendő helyet biztosítana a hosszú hullámhosszoknak, amelyek alacsony frekvenciájú, alacsony energiájú, kis tömegű részecskéket jelentenek. De ha egy sötét graviton a húrelmélet egyik apró dimenziójába szivárogna, annak hullámhossza rendkívül rövid, tömege és energiája pedig nagyon magas lenne. Az ilyen szupermasszív részecskék instabilak és nagyon rövid életűek lennének. Dvali szerint „már régen eltűnnének anélkül, hogy a jelenlegi univerzumban sötét anyagként szolgálhatnának”.

A gravitáció és hordozója, a gravitonok a húrelmélet minden dimenzióját áthatják. De a sötét dimenzió sokkal nagyobb - sok nagyságrenddel -, mint a többi extra dimenzió, hogy a gravitáció ereje felhígulna, és gyengének tűnik négydimenziós világunkban, ha érezhetően beszivárogna a tágasabb sötét dimenzióba. . "Ez megmagyarázza a rendkívüli különbséget [erőben] a gravitáció és a többi erő között" - mondta Dvali, megjegyezve, hogy ugyanez a hatás lesz látható egyéb extradimenziós forgatókönyvek.

Tekintettel arra, hogy a sötét dimenzió forgatókönyve megjósolhat dolgokat, például a sötét anyagot, empirikus tesztnek vethető alá. "Ha megadok neked valami összefüggést, amelyet soha nem tudsz tesztelni, soha nem tudod bebizonyítani, hogy tévedek" - mondta Valenzuela, a könyv társszerzője. eredeti sötét méretű papír. "Sokkal érdekesebb megjósolni valamit, amit ténylegesen be tudsz bizonyítani vagy megcáfolni."

A sötétség talányai

A csillagászok 1978 óta tudják, hogy a sötét anyag létezik – legalábbis valamilyen formában –, amikor is Vera Rubin csillagász megállapította, hogy a galaxisok olyan gyorsan forognak, hogy a legkülső peremükön lévő csillagok a távolba kerülnének, ha nem lennének hatalmas, láthatatlan tározók. anyag visszatartja őket. Ennek az anyagnak az azonosítása azonban nagyon nehéznek bizonyult. A sötét anyag kimutatására irányuló közel 40 éves kísérleti erőfeszítések ellenére nem találtak ilyen részecskét.

Ha a sötét anyagról kiderül, hogy sötét gravitonok, amelyek rendkívül gyengén hatnak egymásra, Vafa szerint ez nem fog változni. "Soha nem találják meg őket közvetlenül."

De lehet, hogy közvetett módon észleljük a gravitonok aláírását.

Az egyik stratégia, amelyet Vafa és munkatársai követnek, a galaxisok és az anyag eloszlását feltérképező nagyszabású kozmológiai felmérésekre támaszkodik. Ezekben az eloszlásokban „kis különbségek lehetnek a klaszterezési viselkedésben” – mondta Obied, ami sötét gravitonok jelenlétét jelzi.

Amikor a nehezebb sötét gravitonok lebomlanak, egy pár világosabb sötét graviton keletkezik, amelyek össztömege valamivel kisebb, mint az anyarészecske tömege. A hiányzó tömeget mozgási energiává alakítják (Einstein képletével összhangban, E = mc²), ami egy kis lökést ad az újonnan létrehozott gravitonoknak – ez a „kirúgási sebesség” a fénysebesség körülbelül egytízezrede.

Ezek a kilökési sebességek viszont befolyásolhatják a galaxisok kialakulását. A standard kozmológiai modell szerint a galaxisok egy anyagcsomóval kezdődnek, amelynek gravitációs vonzása több anyagot vonz. De a kellő rúgássebességű gravitonok elkerülhetik ezt a gravitációs fogást. Ha így tesznek, a létrejövő galaxis valamivel kisebb tömegű lesz, mint amit a standard kozmológiai modell jósol. A csillagászok kereshetik ezt a különbséget.

A Kilo-Degree Survey kozmikus szerkezetének legutóbbi megfigyelései eddig összhangban vannak a sötét dimenzióval: A felmérés adatainak elemzése felső határt helyezett el a kirúgási sebességen, amely nagyon közel volt az Obied és szerzőtársai által megjósolt értékhez. A tavaly júliusban felbocsátott Euclid űrteleszkóp szigorúbb tesztet hajt végre.

Eközben a fizikusok a sötét dimenzió ötletének laboratóriumi tesztelését is tervezik. Ha a gravitáció egy 1 mikron átmérőjű sötét dimenzióba szivárog, akkor elvileg meg lehet nézni, hogy a várható gravitációs erőtől bármilyen eltérés van két azonos távolságra elválasztott objektum között. Nem könnyű kísérletet végrehajtani, mondta Armin Shayeghi, az Osztrák Tudományos Akadémia fizikusa, aki a tesztet végzi. De "egyszerű oka van annak, hogy miért kell ezt a kísérletet elvégeznünk" - tette hozzá: Nem fogjuk tudni, hogyan viselkedik ilyen közeli távolságban a gravitáció, amíg meg nem nézzük.

A az eddigi legközelebbi mérés – 2020-ban a Washingtoni Egyetemen – két teszttest között 52 mikronos elválasztás történt. Az osztrák csoport azt reméli, hogy végül eléri a sötét dimenzióra jósolt 1 mikronos tartományt.

Míg a fizikusok érdekfeszítőnek találják a sötét dimenzió javaslatát, egyesek szkeptikusak abban, hogy sikerülni fog. „A további dimenziók keresése precízebb kísérletekkel nagyon érdekes dolog” – mondta Juan Maldacena, az Institute for Advanced Study fizikusa, „bár úgy gondolom, hogy kicsi a valószínűsége, hogy megtalálják őket”.

Joseph Conlon, egy oxfordi fizikus osztja ezt a szkepticizmust: „Sok ötlet fontos lenne, ha igaz, de valószínűleg nem. Ez az egyik. A sejtések, amelyeken alapul, kissé ambiciózusak, és úgy gondolom, hogy a jelenlegi bizonyítékok meglehetősen gyengék.”

Természetesen a bizonyítékok súlya változhat, ezért elsősorban kísérleteket végzünk. A sötét dimenziójavaslat, ha az elkövetkező tesztek alátámasztják, közelebb vihet bennünket annak megértéséhez, mi a sötét anyag, hogyan kapcsolódik mind a sötét energiához, mind a gravitációhoz, és miért tűnik gyengének a gravitáció a többi ismert erőhöz képest. „A teoretikusok mindig ezt az „összekapcsolást” próbálják megvalósítani. A sötét dimenzió az egyik legígéretesebb ötlet, amit ebben az irányban hallottam” – mondta Gopakumar.

De egy ironikus fordulattal az egyetlen dolog, amit a sötét dimenzió hipotézise nem tud megmagyarázni, az az, hogy a kozmológiai állandó miért olyan megdöbbentően kicsi – ez a rejtélyes tény, amely lényegében elindította ezt a vizsgálódást. „Igaz, hogy ez a program nem magyarázza ezt a tényt” – ismerte el Vafa. „De ebből a forgatókönyvből kiindulva azt mondhatjuk, hogy ha a lambda kicsi – és leírod ennek következményeit –, csodálatos dolgok egész sora kerülhet a helyére.”