I en 'mørk dimensjon' leter fysikere etter manglende materie | Quanta Magazine

Når det gjelder å forstå universets struktur, er det meste av det forskerne tror eksisterer overført til et mørkt, grumsete domene. Vanlig materie, ting vi kan se og berøre, utgjør bare 5 % av kosmos. Resten, sier kosmologer, er mørk energi og mørk materie, mystiske stoffer som er merket som "mørke" delvis for å gjenspeile vår uvitenhet om deres sanne natur.

Selv om ingen enkelt idé sannsynligvis vil forklare alt vi håper å vite om kosmos, kan en idé introdusert for to år siden svare på noen få store spørsmål. Ringte mørk dimensjon scenario, den tilbyr en spesifikk oppskrift på mørk materie, og den antyder en intim forbindelse mellom mørk materie og mørk energi. Scenariet kan også fortelle oss hvorfor tyngdekraften - som skulpturerer universet på de største skalaene - er så svak sammenlignet med de andre kreftene.

Scenariet foreslår en ennå usett dimensjon som lever innenfor strengteoriens allerede komplekse rike, som forsøker å forene kvantemekanikken og Einsteins gravitasjonsteori. I tillegg til de fire kjente dimensjonene - tre uendelig store romlige dimensjoner pluss en av tiden - antyder strengteori at det er seks svært små romlige dimensjoner.

I den mørke dimensjonens univers er en av de ekstra dimensjonene betydelig større enn de andre. I stedet for å være 100 millioner billioner ganger mindre enn diameteren til et proton, måler den omtrent 1 mikron på tvers - minutt etter daglige standarder, men enorm sammenlignet med de andre. Massive partikler som bærer gravitasjonskraften genereres innenfor denne mørke dimensjonen, og de utgjør den mørke materien som forskerne tror utgjør omtrent 25 % av universet vårt og danner limet som holder galakser sammen. (Gjeldende estimater mener at de resterende 70% består av mørk energi, som driver universets ekspansjon.)

Scenariet "tillater oss å lage forbindelser mellom strengteori, kvantetyngdekraft, partikkelfysikk og kosmologi, mens vi tar opp noen av mysteriene knyttet til dem," sa Ignatios Antoniadis, en fysiker ved Sorbonne University som aktivt undersøker forslaget om mørke dimensjoner.

Selv om det ennå ikke er bevis for at den mørke dimensjonen eksisterer, gir scenariet testbare spådommer for både kosmologiske observasjoner og bordfysikk. Det betyr at vi kanskje ikke trenger å vente lenge for å se om hypotesen vil holde opp under empirisk gransking - eller bli henvist til listen over fristende ideer som aldri oppfylte deres opprinnelige løfte.

"Den mørke dimensjonen man ser for seg her," sa fysikeren Rajesh Gopakumar, direktør for det internasjonale senteret for teoretiske vitenskaper i Bengaluru, har "dyden av å bli potensielt utelukket ganske lett ettersom kommende eksperimenter blir skarpere."

Divining the Dark Dimension

Den mørke dimensjonen var inspirert av et langvarig mysterium angående den kosmologiske konstanten – et begrep, utpekt med den greske bokstaven lambda, som Albert Einstein introduserte i sine gravitasjonsligninger i 1917. Tro på et statisk univers, som mange av hans jevnaldrende gjorde. , Einstein la til begrepet for å forhindre at ligningene beskriver et ekspanderende univers. Men på 1920-tallet oppdaget astronomer at universet faktisk svulmer, og i 1998 observerte de at det vokser med et akselerert klipp, drevet frem av det som nå ofte refereres til som mørk energi - som også kan betegnes i ligninger med lambda.

Siden den gang har forskere kjempet med en slående egenskap ved lambda: dens estimerte verdi på 10^-122 i Planck-enheter er "den minste målte parameteren i fysikk," sa Cumrun Vafa, fysiker ved Harvard University. I 2022, mens man tar i betraktning den nesten ufattelige litenheten med to medlemmer av forskerteamet hans - Miguel Montero, nå ved Madrids institutt for teoretisk fysikk, og Irene Valenzuela, for tiden ved CERN — Vafa hadde en innsikt: En slik liten lambda er en virkelig ekstrem parameter, noe som betyr at den kan vurderes innenfor rammen av Vafas tidligere arbeid innen strengteori.

Tidligere hadde han og andre formulert en formodning som forklarer hva som skjer når en viktig fysisk parameter får en ekstrem verdi. Kalt avstandsformodning, refererer den til "avstand" i abstrakt forstand: Når en parameter beveger seg mot den fjerne kanten av muligheten, og dermed antar en ekstrem verdi, vil det få konsekvenser for de andre parameterne.

I strengteoriens ligninger er nøkkelverdier - som partikkelmasser, lambda eller koblingskonstantene som dikterer styrken til interaksjoner - ikke faste. Å endre en vil uunngåelig påvirke de andre.

For eksempel bør en usedvanlig liten lambda, som har blitt observert, ledsages av mye lettere, svakt samvirkende partikler med masser direkte knyttet til lambdas verdi. "Hva kan de være?" undret Vafa.

Mens han og kollegene grunnet på det spørsmålet, innså de at avstandsformodningen og strengteorien kombinert for å gi enda en nøkkelinnsikt: For at disse lette partiklene skal vises når lambda er nesten null, må en av strengteoriens ekstra dimensjoner være betydelig større enn andre – kanskje store nok til at vi kan oppdage dens tilstedeværelse og til og med måle den. De hadde kommet til den mørke dimensjonen.

The Dark Tower

For å forstå opprinnelsen til de utledede lyspartiklene, må vi spole tilbake kosmologisk historie til det første mikrosekundet etter Big Bang. På dette tidspunktet var kosmos dominert av stråling - fotoner og andre partikler som beveget seg nær lysets hastighet. Disse partiklene er allerede beskrevet av Standardmodellen for partikkelfysikk, men i scenarioet med mørke dimensjoner kan en familie av partikler som ikke er en del av Standardmodellen dukke opp når de kjente knuses sammen.

"Nå og da kolliderte disse strålingspartiklene med hverandre, og skapte det vi kaller 'mørke gravitoner'," sa Georges Obied, en fysiker ved University of Oxford som hjalp til med å lage teorien om mørke gravitoner.

Normalt definerer fysikere gravitoner som masseløse partikler som beveger seg med lysets hastighet og formidler gravitasjonskraften, lik de masseløse fotonene som formidler den elektromagnetiske kraften. Men i dette scenariet, som Obied forklarte, skapte disse tidlige kollisjonene en annen type graviton - noe med masse. Mer enn det produserte de en rekke forskjellige gravitoner.

"Det er en masseløs graviton, som er den vanlige gravitonen vi kjenner," sa Obied. "Og så er det uendelig mange kopier av mørke gravitoner, som alle er massive." Massene til de postulerte mørke gravitonene er, grovt sett, et heltall ganger en konstant, M, hvis verdi er knyttet til den kosmologiske konstanten. Og det er et helt "tårn" av dem med et bredt spekter av masser og energinivåer.

For å få en følelse av hvordan alt dette kan fungere, se for deg vår firedimensjonale verden som overflaten av en kule. Vi kan aldri forlate den overflaten – på godt og vondt – og det gjelder også for hver partikkel i standardmodellen.

Gravitoner kan imidlertid gå overalt, av samme grunn som tyngdekraften eksisterer overalt. Og det er her den mørke dimensjonen kommer inn.

For å forestille deg den dimensjonen, sa Vafa, tenk på hvert punkt på den forestilte overflaten av vår firedimensjonale verden og fest en liten løkke til den. Den sløyfen er (i det minste skjematisk) den ekstra dimensjonen. Hvis to standardmodellpartikler kolliderer og skaper en graviton, kan gravitonen "lekke inn i den ekstradimensjonale sirkelen og reise rundt den som en bølge," sa Vafa. (Kvantemekanikk forteller oss at hver partikkel, inkludert gravitoner og fotoner, kan oppføre seg som både en partikkel og en bølge - et 100 år gammelt konsept kjent som bølge-partikkel-dualitet.)

Ettersom gravitoner lekker inn i den mørke dimensjonen, kan bølgene de produserer ha forskjellige frekvenser, som hver tilsvarer forskjellige energinivåer. Og de massive gravitonene, som beveger seg rundt den ekstradimensjonale sløyfen, produserer en betydelig gravitasjonspåvirkning på punktet der sløyfen fester seg til sfæren.

"Kanskje dette er den mørke materien?" Vafa funderte. Gravitonene de hadde laget var tross alt svakt i samspill, men likevel i stand til å mønstre noe gravitasjonskraft. En fordel ved ideen, bemerket han, er at gravitoner har vært en del av fysikken i 90 år, etter først å ha blitt foreslått som bærere av gravitasjonskraften. (Det bør bemerkes at gravitoner er hypotetiske partikler og har ikke blitt direkte oppdaget.) For å forklare mørk materie, "trenger vi ikke introdusere en ny partikkel," sa han.

Gravitoner som kan lekke inn i det ekstradimensjonale domenet er "naturlige kandidater for mørk materie," sa Georgi Dvali, direktør for Max Planck Institute for Physics, som ikke jobber direkte med ideen om den mørke dimensjonen.

En stor dimensjon som den angitte mørke dimensjonen ville ha plass til lange bølgelengder, som innebærer lavfrekvente, lavenergi- og lavmassepartikler. Men hvis en mørk graviton lekket inn i en av strengteoriens små dimensjoner, ville dens bølgelengde være ekstremt kort og massen og energien svært høy. Supermassive partikler som dette ville være ustabile og svært kortvarige. De "ville vært borte for lengst," sa Dvali, "uten å ha muligheten til å tjene som mørk materie i det nåværende universet."

Tyngdekraften og dens bærer, gravitoner, gjennomsyrer alle dimensjonene til strengteori. Men den mørke dimensjonen er så mye større - i mange størrelsesordener - enn de andre ekstra dimensjonene at tyngdekraften ville bli utvannet, noe som får den til å virke svak i vår firedimensjonale verden, hvis den siver betydelig inn i den romsligere mørke dimensjonen . "Dette forklarer den ekstraordinære forskjellen [i styrke] mellom tyngdekraften og de andre kreftene," sa Dvali, og la merke til at den samme effekten ville bli sett i andre ekstradimensjonale scenarier.

Gitt at scenarioet med mørke dimensjoner kan forutsi ting som mørk materie, kan det settes på en empirisk test. "Hvis jeg gir deg en korrelasjon du aldri kan teste, kan du aldri bevise at jeg tar feil," sa Valenzuela, en medforfatter av original mørkt dimensjonspapir. "Det er mye mer interessant å forutsi noe som du faktisk kan bevise eller motbevise."

Mørkets gåter

Astronomer har visst at mørk materie har eksistert – i det minste i en eller annen form – siden 1978, da astronomen Vera Rubin slo fast at galakser roterte så raskt at stjerner på deres ytterste kant ville bli kastet ut i det fjerne hvis det ikke var for store reservoarer av noen usynlige. stoff som holder dem tilbake. Det har imidlertid vist seg svært vanskelig å identifisere det stoffet. Til tross for nesten 40 år med eksperimentell innsats for å oppdage mørk materie, har ingen slik partikkel blitt funnet.

Hvis mørk materie viser seg å være mørke gravitoner, som samhandler ekstremt svakt, sa Vafa, vil det ikke endre seg. "De vil aldri bli funnet direkte."

Men det kan være muligheter for indirekte å oppdage signaturene til disse gravitongene.

En strategi som Vafa og hans samarbeidspartnere følger, bygger på storskala kosmologiske undersøkelser som kartlegger fordelingen av galakser og materie. I disse distribusjonene kan det være "små forskjeller i klyngeadferd," sa Obied, som ville signalisere tilstedeværelsen av mørke gravitoner.

Når tyngre mørke gravitoner forfaller, produserer de et par lysere mørke gravitoner med en kombinert masse som er litt mindre enn den til foreldrepartikkelen. Den manglende massen konverteres til kinetisk energi (i tråd med Einsteins formel, E = mc²), som gir de nyopprettede gravitonene litt av et løft - en "sparkhastighet" som er estimert til å være omtrent en ti tusendel av lysets hastighet.

Disse sparkehastighetene kan i sin tur påvirke hvordan galakser dannes. I følge den standard kosmologiske modellen starter galakser med en materieklump hvis gravitasjonskraft tiltrekker seg mer materie. Men gravitoner med tilstrekkelig sparkhastighet kan unnslippe dette gravitasjonsgrepet. Hvis de gjør det, vil den resulterende galaksen være litt mindre massiv enn den standard kosmologiske modellen forutsier. Astronomer kan se etter denne forskjellen.

Nyere observasjoner av kosmisk struktur fra Kilo-Degree Survey er så langt i samsvar med den mørke dimensjonen: En analyse av data fra den undersøkelsen plassert en øvre grense på sparkehastigheten som var veldig nær verdien forutsagt av Obied og hans medforfattere. En strengere test vil komme fra Euclid-romteleskopet, som ble skutt opp i juli i fjor.

I mellomtiden planlegger fysikere også å teste ideen om mørke dimensjoner i laboratoriet. Hvis tyngdekraften lekker inn i en mørk dimensjon som måler 1 mikron på tvers, kan man i prinsippet se etter eventuelle avvik fra den forventede gravitasjonskraften mellom to objekter atskilt med samme avstand. Det er ikke et enkelt eksperiment å gjennomføre, sa Armin Shayeghi, en fysiker ved det østerrikske vitenskapsakademiet som utfører testen. Men "det er en enkel grunn til hvorfor vi må gjøre dette eksperimentet," la han til: Vi vil ikke vite hvordan tyngdekraften oppfører seg på så nære avstander før vi ser.

De nærmeste måling til dags dato — utført i 2020 ved University of Washington — innebar en 52-mikrons separasjon mellom to testorganer. Den østerrikske gruppen håper til slutt å oppnå 1-mikron-området som er spådd for den mørke dimensjonen.

Mens fysikere synes forslaget om mørke dimensjoner er spennende, er noen skeptiske til at det vil ordne seg. "Å lete etter ekstra dimensjoner gjennom mer presise eksperimenter er en veldig interessant ting å gjøre," sa Juan Maldacena, en fysiker ved Institute for Advanced Study, "selv om jeg tror at sannsynligheten for å finne dem er lav."

Joseph Conlon, en fysiker ved Oxford, deler denne skepsisen: «Det er mange ideer som ville vært viktige hvis de er sanne, men som sannsynligvis ikke er det. Dette er en av dem. Formodningene den er basert på er noe ambisiøse, og jeg tror de nåværende bevisene for dem er ganske svake.»

Selvfølgelig kan vekten av bevis endre seg, og det er derfor vi gjør eksperimenter i utgangspunktet. Forslaget om mørke dimensjoner, hvis det støttes av kommende tester, har potensial til å bringe oss nærmere å forstå hva mørk materie er, hvordan den er knyttet til både mørk energi og gravitasjon, og hvorfor gravitasjonen virker svak sammenlignet med de andre kjente kreftene. "Teoretikere prøver alltid å gjøre dette "sammenbinde." Den mørke dimensjonen er en av de mest lovende ideene jeg har hørt i denne retningen, sa Gopakumar.

Men i en ironisk vri, er det eneste hypotesen med mørke dimensjoner ikke kan forklare hvorfor den kosmologiske konstanten er så svimlende liten - et forvirrende faktum som i hovedsak startet hele denne undersøkelseslinjen. "Det er sant at dette programmet ikke forklarer det faktum," innrømmet Vafa. "Men det vi kan si, med utgangspunkt i dette scenariet, er at hvis lambda er liten - og du forklarer konsekvensene av det - kan et helt sett med fantastiske ting falle på plass."