I en "mörk dimension" söker fysiker efter saknad materia | Quanta Magazine

När det gäller att förstå universums struktur är det mesta av det som forskare tror existerar överlämnat till en mörk, grumlig domän. Vanlig materia, det vi kan se och röra, står för bara 5% av kosmos. Resten, säger kosmologer, är mörk energi och mörk materia, mystiska ämnen som är märkta som "mörka" delvis för att återspegla vår okunnighet om deras sanna natur.

Även om ingen enskild idé sannolikt kommer att förklara allt vi hoppas få veta om kosmos, kan en idé som introducerades för två år sedan svara på några stora frågor. Ringde mörk dimension scenario, den erbjuder ett specifikt recept för mörk materia, och det föreslår en intim koppling mellan mörk materia och mörk energi. Scenariot kan också berätta varför gravitationen - som skulpterar universum på de största skalorna - är så svag jämfört med de andra krafterna.

Scenariot föreslår en ännu osynlig dimension som lever inom den redan komplexa sfären av strängteorin, som försöker förena kvantmekaniken och Einsteins gravitationsteori. Förutom de fyra välbekanta dimensionerna - tre oändligt stora rumsliga dimensioner plus en av tiden - föreslår strängteorin att det finns sex ytterst små rumsliga dimensioner.

I den mörka dimensionens universum är en av de extra dimensionerna betydligt större än de andra. Istället för att vara 100 miljoner biljoner gånger mindre än diametern på en proton, mäter den cirka 1 mikron tvärs över - minut enligt vardagliga standarder, men enorm jämfört med de andra. Massiva partiklar som bär gravitationskraften genereras inom denna mörka dimension, och de utgör den mörka materia som forskare tror utgör cirka 25 % av vårt universum och bildar limmet som håller samman galaxer. (Nuvarande uppskattningar hävdar att de återstående 70% består av mörk energi, som driver universums expansion.)

Scenariot "låter oss göra kopplingar mellan strängteori, kvantgravitation, partikelfysik och kosmologi, samtidigt som vi tar upp några av mysterierna relaterade till dem", sa Ignatios Antoniadis, en fysiker vid Sorbonne University som aktivt undersöker förslaget om mörka dimensioner.

Även om det ännu inte finns några bevis för att den mörka dimensionen existerar, gör scenariot testbara förutsägelser för både kosmologiska observationer och bordsfysik. Det betyder att vi kanske inte behöver vänta länge för att se om hypotesen kommer att hålla under empirisk granskning - eller förpassas till listan över lockande idéer som aldrig uppfyllde sitt ursprungliga löfte.

"Den mörka dimensionen föreställs här," sade fysikern Rajesh Gopakumar, chef för International Centre for Theoretical Sciences i Bengaluru, har "fördelen att potentiellt uteslutas ganska lätt när kommande experiment blir skarpare."

Divining the Dark Dimension

Den mörka dimensionen var inspirerad av ett långvarigt mysterium angående den kosmologiska konstanten - en term, betecknad med den grekiska bokstaven lambda, som Albert Einstein introducerade i sina gravitationsekvationer 1917. Tror på ett statiskt universum, precis som många av hans jämnåriga. , lade Einstein till termen för att hålla ekvationerna från att beskriva ett expanderande universum. Men på 1920-talet upptäckte astronomer att universum verkligen sväller, och 1998 observerade de att det växer i ett accelererat klipp, framdrivet av vad som nu vanligtvis kallas mörk energi - vilket också kan betecknas i ekvationer med lambda.

Sedan dess har forskare brottats med en slående egenskap hos lambda: dess uppskattade värde på 10^-122 i Planck-enheter är "den minsta uppmätta parametern i fysiken," sa Cumrun Vafa, fysiker vid Harvard University. År 2022, med tanke på den nästan outgrundliga litenheten med två medlemmar av hans forskarlag — Miguel Montero, nu vid Madrids institut för teoretisk fysik, och Irene Valenzuela, för närvarande på CERN — Vafa hade en insikt: En sådan minuscule lambda är en verkligt extrem parameter, vilket betyder att den kan betraktas inom ramen för Vafas tidigare arbete inom strängteori.

Tidigare hade han och andra formulerat en gissning som förklarar vad som händer när en viktig fysisk parameter får ett extremvärde. Kallas avståndsförmodan, den hänvisar till "avstånd" i abstrakt mening: När en parameter rör sig mot möjlighetens avlägsna kant och därigenom antar ett extremvärde, kommer det att bli återverkningar för de andra parametrarna.

I strängteorins ekvationer är nyckelvärden - såsom partikelmassor, lambda eller kopplingskonstanter som dikterar styrkan hos interaktioner - inte fixerade. Att ändra en kommer oundvikligen att påverka de andra.

Till exempel bör en utomordentligt liten lambda, som har observerats, åtföljas av mycket lättare, svagt interagerande partiklar med massor som är direkt kopplade till lambdans värde. "Vad kan de vara?" undrade Vafa.

När han och hans kollegor funderade på den frågan insåg de att avståndsförmodan och strängteorin kombinerade för att ge ytterligare en nyckelinsikt: För att dessa lätta partiklar ska dyka upp när lambda är nästan noll, måste en av strängteorins extra dimensioner vara betydligt större än andra — kanske tillräckligt stora för att vi ska kunna upptäcka dess närvaro och till och med mäta den. De hade kommit fram till den mörka dimensionen.

The Dark Tower

För att förstå tillkomsten av de härledda ljuspartiklarna måste vi spola tillbaka den kosmologiska historien till den första mikrosekunden efter Big Bang. Vid denna tidpunkt dominerades kosmos av strålning - fotoner och andra partiklar som rörde sig nära ljusets hastighet. Dessa partiklar beskrivs redan av standardmodellen för partikelfysik, men i scenariot med mörka dimensioner kan en familj av partiklar som inte är en del av standardmodellen uppstå när de välbekanta slås samman.

"Då och då kolliderade dessa strålningspartiklar med varandra och skapade vad vi kallar "mörka gravitoner", sa Georges Obied, en fysiker vid University of Oxford som hjälpte till att tillverka teorin om mörka gravitoner.

Normalt definierar fysiker gravitoner som masslösa partiklar som färdas med ljusets hastighet och förmedlar gravitationskraften, liknande de masslösa fotoner som förmedlar den elektromagnetiska kraften. Men i detta scenario, som Obied förklarade, skapade dessa tidiga kollisioner en annan typ av graviton - något med massa. Mer än så producerade de en rad olika gravitoner.

"Det finns en masslös graviton, vilket är den vanliga graviton vi känner till," sa Obied. "Och sedan finns det oändligt många kopior av mörka gravitoner, som alla är massiva." Massorna av de postulerade mörka gravitonerna är, grovt sett, ett heltal gånger en konstant, M, vars värde är knutet till den kosmologiska konstanten. Och det finns ett helt "torn" av dem med ett brett utbud av massor och energinivåer.

För att få en känsla av hur allt detta kan fungera, föreställ dig vår fyrdimensionella värld som ytan av en sfär. Vi kan aldrig lämna den ytan – på gott och ont – och det är också sant för varje partikel i standardmodellen.

Gravitoner kan dock gå överallt, av samma anledning som gravitationen finns överallt. Och det är där den mörka dimensionen kommer in.

För att föreställa den dimensionen, sa Vafa, tänk på varje punkt på den föreställda ytan av vår fyrdimensionella värld och fäst en liten slinga på den. Den slingan är (åtminstone schematiskt) den extra dimensionen. Om två standardmodellpartiklar kolliderar och skapar en graviton, kan gravitonen "läcka in i den extradimensionella cirkeln och resa runt den som en våg", sa Vafa. (Kvantmekaniken säger oss att varje partikel, inklusive gravitoner och fotoner, kan bete sig som både en partikel och en våg - ett 100 år gammalt koncept som kallas våg-partikeldualitet.)

När gravitoner läcker in i den mörka dimensionen kan vågorna de producerar ha olika frekvenser, var och en motsvarar olika energinivåer. Och dessa massiva gravitoner, som färdas runt den extradimensionella slingan, producerar en betydande gravitationspåverkan vid den punkt där slingan fäster vid sfären.

"Kanske är detta den mörka materien?" Vafa funderade. De gravitoner som de hade skapat var trots allt svagt interagerande men ändå kapabla att uppbåda en viss gravitationskraft. En fördel med idén, noterade han, är att gravitoner har varit en del av fysiken i 90 år, efter att först ha föreslagits som bärare av gravitationskraften. (Det bör noteras att gravitoner är hypotetiska partiklar och har inte detekterats direkt.) För att förklara mörk materia, "behöver vi inte introducera en ny partikel", sa han.

Gravitoner som kan läcka in i den extradimensionella domänen är "naturliga kandidater för mörk materia", sa Georgi Dvali, chef för Max Planck Institute for Physics, som inte arbetar direkt med idén om den mörka dimensionen.

En stor dimension som den placerade mörka dimensionen skulle ha utrymme för långa våglängder, vilket innebär lågfrekventa, lågenergi-, lågmassapartiklar. Men om en mörk graviton läckte in i en av strängteorins små dimensioner, skulle dess våglängd vara mycket kort och dess massa och energi mycket hög. Supermassiva partiklar som denna skulle vara instabila och mycket kortlivade. De "skulle vara borta för länge sedan", sa Dvali, "utan att ha möjligheten att tjäna som mörk materia i det nuvarande universum."

Tyngdkraften och dess bärare, gravitoner, genomsyrar alla dimensioner av strängteorin. Men den mörka dimensionen är så mycket större - i många storleksordningar - än de andra extra dimensionerna att tyngdkraftens styrka skulle bli utspädd, vilket gör att den verkar svag i vår fyrdimensionella värld, om den sipprar avsevärt in i den rymligare mörka dimensionen . "Detta förklarar den extraordinära skillnaden [i styrka] mellan gravitation och de andra krafterna," sa Dvali och noterade att samma effekt skulle ses i andra extradimensionella scenarier.

Med tanke på att scenariot med mörka dimensioner kan förutsäga saker som mörk materia, kan det sättas på ett empiriskt test. "Om jag ger dig någon korrelation som du aldrig kan testa, kan du aldrig bevisa att jag har fel," sa Valenzuela, en medförfattare till mörkt originalpapper. "Det är mycket mer intressant att förutsäga något som du faktiskt kan bevisa eller motbevisa."

Mörkrets gåtor

Astronomer har vetat att mörk materia funnits - åtminstone i någon form - sedan 1978, när astronomen Vera Rubin fastställde att galaxer roterade så snabbt att stjärnor på deras yttersta kanter skulle kastas ut i fjärran om det inte vore för stora reservoarer av några osynliga. ämne som håller dem tillbaka. Det har dock visat sig mycket svårt att identifiera det ämnet. Trots nästan 40 års experimentella försök att upptäcka mörk materia har ingen sådan partikel hittats.

Om mörk materia visar sig vara mörka gravitoner, som samverkar ytterst svagt, sa Vafa, kommer det inte att förändras. "De kommer aldrig att hittas direkt."

Men det kan finnas möjligheter att indirekt upptäcka signaturerna för dessa gravitoner.

En strategi som Vafa och hans medarbetare följer bygger på storskaliga kosmologiska undersökningar som kartlägger fördelningen av galaxer och materia. I dessa distributioner kan det finnas "små skillnader i klustringsbeteende", sa Obied, som skulle signalera närvaron av mörka gravitoner.

När tyngre mörka gravitoner sönderfaller producerar de ett par ljusare mörka gravitoner med en sammanlagd massa som är något mindre än deras moderpartikel. Den saknade massan omvandlas till kinetisk energi (i enlighet med Einsteins formel, E = mc²), vilket ger de nyskapade gravitonerna lite av en uppsving - en "sparkhastighet" som uppskattas vara ungefär en tiotusendel av ljusets hastighet.

Dessa kickhastigheter kan i sin tur påverka hur galaxer bildas. Enligt den vanliga kosmologiska modellen börjar galaxer med en klump av materia vars gravitationskraft drar till sig mer materia. Men gravitoner med tillräcklig kickhastighet kan undkomma detta gravitationsgrepp. Om de gör det kommer den resulterande galaxen att vara något mindre massiv än vad den kosmologiska standardmodellen förutspår. Astronomer kan leta efter denna skillnad.

Nya observationer av kosmisk struktur från Kilo-Degree Survey är än så länge förenliga med den mörka dimensionen: En analys av data från den undersökningen placerade en övre gräns på kickhastigheten som var mycket nära det värde som förutspåtts av Obied och hans medförfattare. Ett strängare test kommer från rymdteleskopet Euclid, som lanserades i juli förra året.

Under tiden planerar fysiker också att testa idén om mörka dimensioner i laboratoriet. Om gravitationen läcker in i en mörk dimension som mäter 1 mikron tvärs över, kan man i princip leta efter eventuella avvikelser från den förväntade gravitationskraften mellan två objekt åtskilda med samma avstånd. Det är inte ett lätt experiment att genomföra, sa Armin Shayeghi, en fysiker vid den österrikiska vetenskapsakademin som genomför testet. Men "det finns en enkel anledning till varför vi måste göra det här experimentet," tillade han: Vi kommer inte att veta hur gravitationen beter sig på så nära avstånd förrän vi tittar.

Smakämnen närmaste mätning hittills — genomfördes 2020 vid University of Washington — involverade en 52-mikrons separation mellan två testorgan. Den österrikiska gruppen hoppas på att så småningom nå det 1-mikrons intervall som förutspåtts för den mörka dimensionen.

Medan fysiker tycker att förslaget om mörka dimensioner är spännande, är vissa skeptiska till att det kommer att fungera. "Att söka efter extra dimensioner genom mer exakta experiment är en mycket intressant sak att göra," sa Juan Maldacena, fysiker vid Institutet för avancerade studier, "även om jag tror att sannolikheten att hitta dem är låg."

Joseph Conlon, en fysiker vid Oxford, delar den skepsisen: "Det finns många idéer som skulle vara viktiga om de är sanna, men som förmodligen inte är det. Det här är en av dem. De gissningar den bygger på är något ambitiösa, och jag tror att de nuvarande bevisen för dem är ganska svaga."

Naturligtvis kan tyngden av bevis förändras, det är därför vi gör experiment i första hand. Förslaget om mörka dimensioner, om det stöds av kommande tester, har potential att föra oss närmare att förstå vad mörk materia är, hur den är kopplad till både mörk energi och gravitation, och varför gravitationen verkar svag jämfört med de andra kända krafterna. "Teoretiker försöker alltid göra det här att "binda ihop." Den mörka dimensionen är en av de mest lovande idéerna jag har hört i den här riktningen, sa Gopakumar.

Men i en ironisk vändning är det enda som hypotesen om mörka dimensioner inte kan förklara varför den kosmologiska konstanten är så häpnadsväckande liten - ett förbryllande faktum som i huvudsak initierade hela denna undersökningslinje. "Det är sant att det här programmet inte förklarar detta faktum," erkände Vafa. "Men vad vi kan säga, utifrån det här scenariot, är att om lambda är liten - och du skriver ut konsekvenserna av det - kan en hel uppsättning fantastiska saker falla på plats."