В «темном измерении» физики ищут недостающую материю | Журнал Кванта

Когда дело доходит до понимания устройства Вселенной, большая часть того, что, по мнению ученых, существует, находится в темной, мрачной сфере. Обычная материя, то есть то, что мы можем увидеть и потрогать, составляет всего 5% космоса. Остальное, по словам космологов, — это темная энергия и темная материя, загадочные вещества, которые называются «темными», отчасти потому, что они отражают наше незнание об их истинной природе.

Хотя ни одна идея, вероятно, не объяснит все, что мы надеемся знать о космосе, идея, представленная два года назад, может ответить на несколько важных вопросов. Называется сценарий темного измерения, он предлагает особый рецепт темной материи и предполагает тесную связь между темной материей и темной энергией. Этот сценарий может также рассказать нам, почему гравитация, которая формирует Вселенную в крупнейших масштабах, настолько слаба по сравнению с другими силами.

Сценарий предлагает пока еще невиданное измерение, которое живет в и без того сложной сфере теории струн, которая пытается объединить квантовую механику и теорию гравитации Эйнштейна. В дополнение к четырем привычным измерениям — трем бесконечно большим пространственным измерениям плюс одному времени — теория струн предполагает, что существует шесть чрезвычайно крошечных пространственных измерений.

Во вселенной темного измерения одно из этих дополнительных измерений значительно больше остальных. Вместо того, чтобы быть в 100 миллионов триллионов раз меньше диаметра протона, его диаметр составляет около 1 микрона — минута по обычным меркам, но огромная по сравнению с другими. Массивные частицы, несущие гравитационную силу, генерируются в этом темном измерении и составляют темную материю, которая, по мнению ученых, составляет около 25% нашей Вселенной и образует клей, удерживающий галактики вместе. (По текущим оценкам, оставшиеся 70% состоят из темной энергии, которая является движущей силой расширения Вселенной.)

Сценарий «позволяет нам установить связь между теорией струн, квантовой гравитацией, физикой элементарных частиц и космологией, [в то же время] раскрывая некоторые связанные с ними загадки», — сказал он. Игнатиос Антониадис, физик из Университета Сорбонны, который активно исследует идею темного измерения.

Хотя доказательств существования темного измерения пока нет, этот сценарий дает проверяемые предсказания как для космологических наблюдений, так и для настольной физики. Это означает, что нам, возможно, не придется долго ждать, чтобы увидеть, выдержит ли эта гипотеза эмпирическую проверку или будет отнесена к списку заманчивых идей, которые так и не выполнили свои первоначальные обещания.

«Здесь представлено темное измерение», — сказал физик Раджеш Гопакумар, директор Международного центра теоретических наук в Бангалоре, обладает «достоинством того, что потенциально его довольно легко исключить, поскольку предстоящие эксперименты становятся все более острыми».

Предсказание Темного Измерения

Темное измерение было вдохновлено давней загадкой, касающейся космологической постоянной — термина, обозначаемого греческой буквой лямбда, который Альберт Эйнштейн ввел в свои уравнения гравитации в 1917 году. Веря в статическую Вселенную, как и многие его коллеги. Эйнштейн добавил этот термин, чтобы уравнения не описывали расширяющуюся Вселенную. Но в 1920-х годах астрономы обнаружили, что Вселенная действительно расширяется, а в 1998 году они заметили, что она растет с ускорением, движимая тем, что сейчас обычно называют темной энергией, которую также можно обозначать в уравнениях лямбда.

С тех пор учёные боролись с одной поразительной характеристикой лямбды: её оценочная стоимость 10^-122 в планковских единицах — это «наименьший измеряемый параметр в физике», сказал Кумрун Вафа, физик Гарвардского университета. В 2022 году, учитывая эту почти непостижимую малость вместе с двумя членами своей исследовательской группы... Мигель Монтеро, сейчас работающий в Мадридском институте теоретической физики, и Ирен Валенсуэла, в настоящее время работающий в ЦЕРН — Вафа понял: такая крохотная лямбда — действительно экстремальный параметр, а это означает, что его можно рассматривать в рамках предыдущей работы Вафы по теории струн.

Ранее он и другие сформулировали гипотезу, объясняющую, что происходит, когда важный физический параметр принимает экстремальное значение. Названная гипотезой о расстоянии, она относится к «расстоянию» в абстрактном смысле: когда параметр приближается к отдаленной границе возможности, тем самым принимая экстремальное значение, это будет иметь последствия для других параметров.

Таким образом, в уравнениях теории струн ключевые значения, такие как массы частиц, лямбда или константы связи, определяющие силу взаимодействий, не являются фиксированными. Изменение одного неизбежно повлияет на другие.

Например, чрезвычайно маленькая лямбда, как было замечено, должна сопровождаться гораздо более легкими, слабо взаимодействующими частицами, массы которых напрямую связаны со значением лямбды. «Что это могло быть?» – задумался Вафа.

Когда он и его коллеги размышляли над этим вопросом, они поняли, что гипотеза о расстоянии и теория струн в совокупности дали еще одно ключевое открытие: чтобы эти легкие частицы появились, когда лямбда почти равна нулю, одно из дополнительных измерений теории струн должно быть значительно больше, чем другие — возможно, достаточно большие, чтобы мы могли обнаружить его присутствие и даже измерить. Они прибыли в темное измерение.

Темная Башня

Чтобы понять происхождение предполагаемых легких частиц, нам нужно перемотать космологическую историю на первую микросекунду после Большого взрыва. В это время в космосе доминировало излучение — фотоны и другие частицы, движущиеся со скоростью, близкой к скорости света. Эти частицы уже описаны Стандартной моделью физики элементарных частиц, но в сценарии темного измерения семейство частиц, не являющееся частью Стандартной модели, может возникнуть, когда знакомые частицы столкнутся друг с другом.

«Время от времени эти радиационные частицы сталкивались друг с другом, создавая то, что мы называем «темными гравитонами», — сказал он. Жорж Обьед, физик из Оксфордского университета, который помог создать теория темных гравитонов.

Обычно физики определяют гравитоны как безмассовые частицы, которые движутся со скоростью света и передают гравитационную силу, подобно безмассовым фотонам, передающим электромагнитную силу. Но в этом сценарии, как объяснил Обид, эти ранние столкновения создали гравитон другого типа — что-то с массой. Более того, они произвели множество различных гравитонов.

«Есть один безмассовый гравитон, который является обычным известным нам гравитоном», — сказал Обид. «И кроме того, существует бесконечно много копий темных гравитонов, и все они массивны». Массы постулируемых темных гравитонов, грубо говоря, равны целому числу, умноженному на константу: M, значение которого привязано к космологической постоянной. И их целая «башня» с широким диапазоном масс и энергетических уровней.

Чтобы понять, как все это может работать, представьте наш четырехмерный мир как поверхность сферы. Мы не можем покинуть эту поверхность никогда — к лучшему или к худшему — и это также верно для каждой частицы в Стандартной модели.

Гравитоны, однако, могут распространяться повсюду по той же причине, по которой гравитация существует повсюду. И тут на помощь приходит темное измерение.

Чтобы представить это измерение, говорит Вафа, подумайте о каждой точке воображаемой поверхности нашего четырехмерного мира и прикрепите к ней небольшую петлю. Эта петля является (по крайней мере схематически) дополнительным измерением. Если две частицы Стандартной модели столкнутся и создадут гравитон, то гравитон «может просочиться в этот межпространственный круг и путешествовать вокруг него, как волна», — сказал Вафа. (Квантовая механика говорит нам, что каждая частица, включая гравитоны и фотоны, может вести себя и как частица, и как волна — эта 100-летняя концепция известна как корпускулярно-волновой дуализм.)

Когда гравитоны просачиваются в темное измерение, волны, которые они производят, могут иметь разные частоты, каждая из которых соответствует разным уровням энергии. И эти массивные гравитоны, путешествуя по межпространственной петле, оказывают значительное гравитационное влияние в точке, где петля прикрепляется к сфере.

«Может быть, это темная материя?» Вафа задумался. В конце концов, гравитоны, которые они придумали, слабо взаимодействовали, но были способны создать некоторую гравитационную силу. Одним из достоинств этой идеи, отметил он, является то, что гравитоны были частью физики на протяжении 90 лет, будучи впервые предложенными в качестве переносчиков гравитационной силы. (Следует отметить, что гравитоны — это гипотетические частицы, и они не были обнаружены напрямую.) Чтобы объяснить темную материю, «нам не нужно вводить новую частицу», — сказал он.

Гравитоны, которые могут проникнуть в межпространственную область, являются «естественными кандидатами на роль темной материи», сказал он. Георгий Двали, директор Института физики Макса Планка, который непосредственно не работает над идеей темного измерения.

В большом измерении, таком как предполагаемое темное измерение, было бы место для длинных волн, которые подразумевают низкочастотные, низкоэнергетические и маломассивные частицы. Но если бы темный гравитон проник в одно из крошечных измерений теории струн, его длина волны была бы чрезвычайно короткой, а масса и энергия - очень высокими. Подобные сверхмассивные частицы были бы нестабильными и очень недолговечными. Они «давно бы исчезли», сказал Двали, «не имея возможности служить темной материей в нынешней Вселенной».

Гравитация и ее носитель, гравитоны, пронизывают все измерения теории струн. Но темное измерение настолько больше — на многие порядки — чем другие дополнительные измерения, что сила гравитации была бы разбавлена, делая ее слабой в нашем четырехмерном мире, если бы она заметно просачивалась в более просторное темное измерение. . «Это объясняет необычайную разницу [в силе] между гравитацией и другими силами», — сказал Двали, отметив, что тот же эффект будет наблюдаться и в другие экстрамерные сценарии.

Учитывая, что сценарий темного измерения может предсказывать такие вещи, как темная материя, его можно подвергнуть эмпирической проверке. «Если я дам вам какую-то корреляцию, которую вы никогда не сможете проверить, вы никогда не сможете доказать, что я ошибаюсь», — сказала Валенсуэла, соавтор исследования. оригинальная темная бумага. «Гораздо интереснее предсказывать то, что вы действительно можете доказать или опровергнуть».

Загадки тьмы

Астрономы знали о существовании темной материи — по крайней мере, в той или иной форме — с 1978 года, когда астроном Вера Рубин установила, что галактики вращаются так быстро, что звезды на их крайних окраинах были бы отброшены вдаль, если бы не огромные резервуары каких-то невидимых веществ. вещество, удерживающее их. Однако идентифицировать это вещество оказалось очень сложно. Несмотря на почти 40 лет экспериментальных попыток обнаружить темную материю, ни одна такая частица не была обнаружена.

Если темная материя окажется темными гравитонами, которые чрезвычайно слабо взаимодействуют, говорит Вафа, это не изменится. «Они никогда не будут найдены напрямую».

Но может быть возможность косвенно обнаружить признаки этих гравитонов.

Одна из стратегий, которую преследуют Вафа и его коллеги, основана на крупномасштабных космологических исследованиях, которые показывают распределение галактик и материи. По словам Обида, в этих распределениях могут быть «небольшие различия в поведении кластеризации», которые будут сигнализировать о наличии темных гравитонов.

Когда более тяжелые темные гравитоны распадаются, они производят пару более легких темных гравитонов с общей массой, немного меньшей, чем у их родительской частицы. Недостающая масса преобразуется в кинетическую энергию (в соответствии с формулой Эйнштейна: E = mc²), что дает вновь созданным гравитонам некоторый импульс — «скорость удара», которая, по оценкам, составляет примерно одну десятитысячную скорости света.

Эти ударные скорости, в свою очередь, могут повлиять на формирование галактик. Согласно стандартной космологической модели, галактики начинаются с скопления материи, гравитационное притяжение которого притягивает еще больше материи. Но гравитоны с достаточной ударной скоростью могут вырваться из этой гравитационной хватки. Если они это сделают, полученная галактика будет немного менее массивной, чем предсказывает стандартная космологическая модель. Астрономы могут поискать эту разницу.

Недавние наблюдения космической структуры в рамках Килоградусного обзора до сих пор согласуются с темным измерением: анализ данных этого обзора установил верхнюю границу на скорости удара, которая была очень близка к значению, предсказанному Обидом и его соавторами. Более строгие испытания проведет космический телескоп «Евклид», запущенный в июле прошлого года.

Тем временем физики также планируют проверить идею темного измерения в лаборатории. Если гравитация просачивается в темное измерение размером 1 микрон, в принципе можно искать любые отклонения от ожидаемой гравитационной силы между двумя объектами, разделенными таким же расстоянием. По его словам, провести такой эксперимент непросто. Армин Шаеги, физик Австрийской академии наук, который проводит тест. Но «есть простая причина, почему мы должны провести этот эксперимент», — добавил он: мы не узнаем, как ведет себя гравитация на таких близких расстояниях, пока не посмотрим.

Ассоциация ближайшее измерение на сегодняшний день — проведенный в 2020 году в Вашингтонском университете, — предполагал разделение двух испытательных тел толщиной 52 микрона. Австрийская группа надеется в конечном итоге достичь диапазона в 1 микрон, предсказанного для темного измерения.

Хотя физики находят предложение о темном измерении интригующим, некоторые скептически относятся к тому, что оно сработает. «Поиск дополнительных измерений посредством более точных экспериментов — очень интересное занятие», — сказал Хуан Мальдасена, физик Института перспективных исследований, «хотя я думаю, что вероятность их обнаружения невысока».

Джозеф Конлон, физик из Оксфорда, разделяет этот скептицизм: «Есть много идей, которые были бы важны, если бы они были верными, но, вероятно, это не так. Это один из них. Предположения, на которых оно основано, несколько амбициозны, и я думаю, что имеющиеся доказательства в их пользу довольно слабы».

Конечно, вес доказательств может измениться, поэтому мы в первую очередь проводим эксперименты. Предложение о темном измерении, если оно будет поддержано предстоящими испытаниями, потенциально может приблизить нас к пониманию того, что такое темная материя, как она связана как с темной энергией, так и с гравитацией, и почему гравитация кажется слабой по сравнению с другими известными силами. «Теоретики всегда пытаются сделать это «связывая вместе». Темное измерение — одна из самых многообещающих идей, которые я слышал в этом направлении», — сказал Гопакумар.

Но по иронии судьбы единственное, чего не может объяснить гипотеза темного измерения, — это то, почему космологическая постоянная настолько ошеломляюще мала — загадочный факт, который, по сути, и положил начало всей этой линии исследований. "Правда, эта программа не объясняет этот факт", - признал Вафа. «Но что мы можем сказать, исходя из этого сценария, так это то, что если лямбда мала — и вы объясните последствия этого — целый набор удивительных вещей может встать на свои места».