Fizikçiler 'Karanlık Boyutta' Kayıp Maddeyi Arıyor | Quanta Dergisi

Konu evrenin dokusunu anlamaya geldiğinde, bilim adamlarının var olduğunu düşündüğü şeylerin çoğu karanlık ve karanlık bir alana itiliyor. Görebildiğimiz ve dokunabildiğimiz sıradan madde, evrenin yalnızca %5'ini oluşturur. Kozmologlara göre geri kalanı karanlık enerji ve karanlık maddeden oluşuyor; bunlar kısmen gerçek doğaları hakkındaki bilgisizliğimizi yansıtmak için "karanlık" olarak etiketlenen gizemli maddeler.

Tek bir fikrin evren hakkında bilmeyi umduğumuz her şeyi açıklaması muhtemel olmasa da, iki yıl önce ortaya atılan bir fikir birkaç büyük soruyu yanıtlayabilir. Aradı karanlık boyut senaryosuKaranlık madde için özel bir tarif sunuyor ve karanlık madde ile karanlık enerji arasında yakın bir bağlantı olduğunu öne sürüyor. Senaryo bize aynı zamanda evreni en büyük ölçeklerde şekillendiren yerçekiminin diğer kuvvetlerle karşılaştırıldığında neden bu kadar zayıf olduğunu da anlatabilir.

Senaryo, kuantum mekaniği ile Einstein'ın yerçekimi teorisini birleştirmeye çalışan, zaten karmaşık olan sicim teorisi alanında yaşayan, henüz görülmemiş bir boyut önermektedir. Bilinen dört boyuta (üç sonsuz büyük uzaysal boyut artı bir zaman boyutu) ek olarak, sicim kuramı altı tane son derece küçük uzaysal boyutun olduğunu öne sürüyor.

Karanlık boyutun evreninde, bu ekstra boyutlardan biri diğerlerinden önemli ölçüde daha büyüktür. Bir protonun çapından 100 milyon trilyon kat daha küçük olmak yerine, günlük standartlara göre yaklaşık 1 mikron (dakika) boyutundadır, ancak diğerleriyle karşılaştırıldığında devasadır. Yerçekimi kuvvetini taşıyan devasa parçacıklar bu karanlık boyutta üretiliyor ve bilim adamlarının evrenimizin yaklaşık %25'ini oluşturduğunu düşündüğü karanlık maddeyi ve galaksileri bir arada tutan yapıştırıcıyı oluşturduğunu düşünüyorlar. (Mevcut tahminler, kalan %70'in, evrenin genişlemesine neden olan karanlık enerjiden oluştuğunu ileri sürüyor.)

Senaryo "sicim teorisi, kuantum yerçekimi, parçacık fiziği ve kozmoloji arasında bağlantı kurmamıza ve bunlarla ilgili bazı gizemleri çözmemize olanak tanıyor" dedi. Ignatius AntoniadisKaranlık boyut önerisini aktif olarak araştıran Sorbonne Üniversitesi'nden bir fizikçi.

Henüz karanlık boyutun var olduğuna dair bir kanıt olmasa da senaryo hem kozmolojik gözlemler hem de masa üstü fiziği için test edilebilir tahminler sunuyor. Bu, hipotezin ampirik inceleme altında geçerli olup olmayacağını veya orijinal vaatlerini hiçbir zaman yerine getirmeyen ümit verici fikirler listesine atılıp atılmayacağını görmek için uzun süre beklememize gerek kalmayacağı anlamına geliyor.

Fizikçi "Burada tasavvur edilen karanlık boyut" dedi Rajesh GopakumarBengaluru'daki Uluslararası Teorik Bilimler Merkezi'nin direktörü, "yaklaşan deneyler keskinleştikçe potansiyel olarak oldukça kolay bir şekilde dışlanma avantajına sahip."

Karanlık Boyutu Keşfetmek

Karanlık boyut, Albert Einstein'ın 1917'de yerçekimi denklemlerine dahil ettiği, Yunanca lambda harfiyle gösterilen bir terim olan kozmolojik sabitle ilgili uzun süredir devam eden bir gizemden ilham aldı. Statik bir evrene inanan pek çok akranı gibi Einstein, denklemlerin genişleyen bir evreni tanımlamasını engellemek için bu terimi ekledi. Ancak 1920'lerde gökbilimciler evrenin gerçekten de şiştiğini keşfettiler ve 1998'de evrenin, günümüzde genel olarak karanlık enerji olarak adlandırılan ve denklemlerde lambda ile de gösterilebilen enerji tarafından tahrik edilen, hızlandırılmış bir hızla büyüdüğünü gözlemlediler.

O zamandan bu yana bilim insanları lambdanın çarpıcı bir özelliğiyle uğraştı: Tahmini değeri 10^-122 Planck birimlerinin "fizikte ölçülen en küçük parametre" olduğunu söyledi Cumrun VafaHarvard Üniversitesi'nde fizikçi. 2022'de, araştırma ekibinin iki üyesinin neredeyse anlaşılmaz küçüklüğünü göz önünde bulundururken - Miguel Montero, şu anda Madrid Teorik Fizik Enstitüsü'nde ve Irene Valenzuela, şu anda CERN'de - Vafa'nın bir içgörüsü vardı: Bu kadar küçük bir lambda gerçekten aşırı bir parametredir, bu da Vafa'nın sicim teorisindeki önceki çalışması çerçevesinde değerlendirilebileceği anlamına gelir.

Daha önce kendisi ve diğerleri, önemli bir fiziksel parametre aşırı bir değere ulaştığında ne olacağını açıklayan bir varsayım formüle etmişlerdi. Uzaklık varsayımı olarak adlandırılan bu kavram, soyut anlamda "mesafe"yi ifade eder: Bir parametre olasılığın en uç noktasına doğru hareket ettiğinde ve dolayısıyla uç bir değer varsayıldığında, diğer parametreler üzerinde de yansımalar olacaktır.

Bu nedenle, sicim teorisinin denklemlerinde parçacık kütleleri, lambda veya etkileşimlerin gücünü belirleyen eşleşme sabitleri gibi anahtar değerler sabit değildir. Birini değiştirmek kaçınılmaz olarak diğerlerini de etkileyecektir.

Örneğin, gözlemlendiği gibi, olağanüstü derecede küçük bir lambdaya, lambda değeriyle doğrudan bağlantılı kütlelere sahip, çok daha hafif, zayıf etkileşime giren parçacıklar eşlik etmelidir. "Ne olabilirler?" Vafa bunu merak etti.

Kendisi ve meslektaşları bu soru üzerinde düşünürken, uzaklık varsayımı ile sicim teorisinin bir araya gelerek bir anahtar fikir daha sağladığını fark ettiler: Bu hafif parçacıkların lambda neredeyse sıfır olduğunda ortaya çıkması için, sicim teorisinin ekstra boyutlarından birinin, Lambda'dan önemli ölçüde daha büyük olması gerekir. diğerleri - belki de varlığını tespit etmemize ve hatta ölçmemize yetecek kadar büyük. Karanlık boyuta ulaşmışlardı.

Dark Tower

Çıkarılan ışık parçacıklarının oluşumunu anlamak için kozmolojik tarihi Büyük Patlama'dan sonraki ilk mikrosaniyeye kadar geri sarmamız gerekiyor. O zamanlar kozmosta radyasyon, yani ışık hızına yakın hareket eden fotonlar ve diğer parçacıklar hakimiyetindeydi. Bu parçacıklar zaten parçacık fiziğinin Standart Modeli tarafından tanımlanıyor, ancak karanlık boyut senaryosunda, tanıdık olanlar birbirine çarptığında Standart Modelin parçası olmayan bir parçacık ailesi ortaya çıkabiliyor.

"Bu radyasyon parçacıkları ara sıra birbirleriyle çarpışarak 'karanlık gravitonlar' dediğimiz şeyi yaratıyor" dedi. Georges itaat ettiOxford Üniversitesi'nden zanaatkarlığa yardım eden bir fizikçi karanlık graviton teorisi.

Normalde fizikçiler gravitonları, elektromanyetik kuvveti ileten kütlesiz fotonlara benzer şekilde, ışık hızında hareket eden ve yerçekimi kuvvetini ileten kütlesiz parçacıklar olarak tanımlarlar. Ancak Obied'in açıkladığı gibi bu senaryoda, bu erken çarpışmalar farklı türde bir graviton, yani kütleli bir şey yarattı. Dahası, bir dizi farklı graviton ürettiler.

Obied, "Bildiğimiz olağan graviton olan kütlesiz bir graviton var" dedi. "Ve ayrıca karanlık gravitonların sonsuz sayıda kopyası var ve bunların hepsi çok büyük." Varsayılan karanlık gravitonların kütleleri, kabaca söylemek gerekirse, bir tamsayı çarpı bir sabittir, Mdeğeri kozmolojik sabite bağlıdır. Ve geniş bir kütle ve enerji seviyesine sahip, onlardan oluşan bir “kule” var.

Tüm bunların nasıl çalışabileceğine dair bir fikir edinmek için dört boyutlu dünyamızı bir kürenin yüzeyi olarak hayal edin. İyi ya da kötü, bu yüzeyi hiçbir zaman terk edemeyiz ve bu aynı zamanda Standart Modeldeki her parçacık için de geçerlidir.

Bununla birlikte, yerçekiminin her yerde mevcut olmasıyla aynı nedenle, yerçekimi de her yere gidebilir. Karanlık boyutun devreye girdiği yer burasıdır.

Vafa, bu boyutu resmetmek için dört boyutlu dünyamızın hayali yüzeyindeki her noktayı düşünmeniz ve ona küçük bir halka eklemeniz gerektiğini söyledi. Bu döngü (en azından şematik olarak) ekstra boyuttur. Vafa, eğer iki Standart Model parçacığı çarpışır ve bir graviton oluşturursa, graviton "bu ekstra boyutlu daireye sızabilir ve onun etrafında bir dalga gibi dolaşabilir" dedi. (Kuantum mekaniği bize, gravitonlar ve fotonlar da dahil olmak üzere her parçacığın hem parçacık hem de dalga gibi davranabileceğini söylüyor; bu, dalga-parçacık ikiliği olarak bilinen 100 yıllık bir kavramdır.)

Gravitonlar karanlık boyuta sızdıkça ürettikleri dalgalar, her biri farklı enerji seviyelerine karşılık gelen farklı frekanslara sahip olabilir. Ve ekstra boyutlu döngünün etrafında dolaşan bu devasa gravitonlar, döngünün küreye bağlandığı noktada önemli bir çekimsel etki yaratır.

"Belki de karanlık madde budur?" diye düşündü Vafa. Sonuçta, uydurdukları gravitonlar zayıf bir şekilde etkileşime giriyordu, ancak bir miktar yerçekimsel kuvvet toplama kapasitesine sahipti. Fikrin bir avantajı, gravitonların 90 yıldır fiziğin bir parçası olması ve ilk olarak yerçekimi kuvvetinin taşıyıcıları olarak önerilmesidir. (Gravitonların varsayımsal parçacıklar olduğunu ve doğrudan tespit edilmediklerini belirtmek gerekir.) Karanlık maddeyi açıklamak için "yeni bir parçacık eklemek zorunda değiliz" dedi.

Ekstra boyut alanına sızabilen gravitonların "karanlık madde için doğal adaylar" olduğu belirtildi. Georgi DvaliMax Planck Fizik Enstitüsü'nün yöneticisi, doğrudan karanlık boyut fikri üzerinde çalışmıyor.

Öne sürülen karanlık boyut gibi büyük bir boyut, düşük frekanslı, düşük enerjili, düşük kütleli parçacıklar anlamına gelen uzun dalga boyları için alana sahip olacaktır. Ancak eğer karanlık bir graviton sicim teorisinin küçücük boyutlarından birine sızarsa, dalga boyu son derece kısa, kütlesi ve enerjisi ise çok yüksek olacaktır. Bunun gibi süper kütleli parçacıklar kararsız ve çok kısa ömürlü olacaktır. Dvali, "mevcut evrende karanlık madde olarak hizmet etme olasılıkları olmadan çoktan yok olmuş olacaklardı" dedi.

Yerçekimi ve onun taşıyıcısı olan gravitonlar, sicim teorisinin tüm boyutlarına nüfuz etmiştir. Ancak karanlık boyut, diğer ekstra boyutlardan çok daha büyüktür ve yerçekimi kuvveti seyreltilir ve eğer daha geniş olan karanlık boyuta kayda değer bir şekilde sızıyorsa, dört boyutlu dünyamızda zayıf görünmesine neden olur. . Dvali, "Bu, yerçekimi ile diğer kuvvetler arasındaki [güç açısından] olağanüstü farkı açıklıyor" dedi ve aynı etkinin diğer ekstra boyutlu senaryolar.

Karanlık boyut senaryosunun karanlık madde gibi şeyleri tahmin edebildiği göz önüne alındığında deneysel bir teste tabi tutulabilir. Araştırmanın ortak yazarlarından Valenzuela, "Size asla test edemeyeceğiniz bir korelasyon verirsem, yanıldığımı asla kanıtlayamazsınız" dedi. orijinal koyu boyutlu kağıt. “Gerçekten kanıtlayabileceğiniz veya çürütebileceğiniz bir şeyi tahmin etmek çok daha ilginç.”

Karanlığın Bilmeceleri

Gökbilimciler, 1978'de gökbilimci Vera Rubin'in, galaksilerin çok hızlı döndüğünü ve görülmeyen bazı büyük rezervler olmasaydı, en dış kenarlarındaki yıldızların uzaklara fırlatılacağını tespit etmesinden bu yana, karanlık maddenin - en azından bir biçimde - var olduğunu biliyorlardı. onları geride tutan madde. Ancak bu maddeyi tanımlamanın çok zor olduğu ortaya çıktı. Karanlık maddeyi tespit etmeye yönelik yaklaşık 40 yıllık deneysel çabalara rağmen böyle bir parçacık bulunamadı.

Vafa, karanlık maddenin son derece zayıf etkileşime giren karanlık gravitonlar olduğu ortaya çıkarsa bunun değişmeyeceğini söyledi. "Asla doğrudan bulunamayacaklar."

Ancak bu gravitonların imzalarını dolaylı olarak tespit etme fırsatları olabilir.

Vafa ve çalışma arkadaşlarının takip ettiği stratejilerden biri, galaksilerin ve maddenin dağılımını gösteren büyük ölçekli kozmolojik araştırmalara dayanıyor. Obied, bu dağılımlarda "kümelenme davranışında küçük farklılıklar" olabileceğini, bunun da karanlık gravitonların varlığına işaret edebileceğini söyledi.

Daha ağır koyu gravitonlar bozunduğunda, ana parçacıklarınınkinden biraz daha az birleşik kütleye sahip bir çift daha açık koyu graviton üretirler. Eksik kütle kinetik enerjiye dönüştürülür (Einstein'ın formülüne uygun olarak, E = mc²), bu da yeni oluşturulan gravitonlara biraz destek sağlıyor - ışık hızının yaklaşık on binde biri olduğu tahmin edilen bir "tekme hızı".

Bu tekme hızları da galaksilerin nasıl oluştuğunu etkileyebilir. Standart kozmolojik modele göre galaksiler, kütle çekim kuvvetinin daha fazla maddeyi çektiği bir madde yığınıyla başlar. Ancak yeterli vuruş hızına sahip gravitonlar bu yerçekimsel kavramadan kaçabilirler. Eğer öyleyse, ortaya çıkan galaksi standart kozmolojik modelin öngördüğünden biraz daha az kütleye sahip olacak. Gökbilimciler bu farkı arayabilirler.

Kilo-Derece Araştırması'ndan kozmik yapıya ilişkin son gözlemler şu ana kadar karanlık boyutla tutarlı: Bu araştırmadan elde edilen verilerin analizi bir üst sınır koydu vuruş hızı Obied ve ortak yazarlarının tahmin ettiği değere çok yakındı. Geçtiğimiz Temmuz ayında fırlatılan Öklid uzay teleskopundan daha sıkı bir test gelecek.

Bu arada fizikçiler de karanlık boyut fikrini laboratuvarda test etmeyi planlıyor. Eğer yerçekimi 1 mikron çapındaki karanlık bir boyuta sızıyorsa, prensipte aynı mesafeyle ayrılmış iki nesne arasında beklenen yerçekimi kuvvetinden herhangi bir sapma aranabilir. Bunun gerçekleştirilmesi kolay bir deney olmadığını söyledi Armin ShayeghiAvusturya Bilimler Akademisi'nde testi yürüten fizikçi. Ancak "Bu deneyi yapmak zorunda olmamızın basit bir nedeni var" diye ekledi: Bakana kadar, bu kadar yakın mesafelerde yer çekiminin nasıl davrandığını bilemeyeceğiz.

The bugüne kadarki en yakın ölçüm - 2020 yılında Washington Üniversitesi'nde gerçekleştirilen - iki test gövdesi arasında 52 mikronluk bir ayrım içeriyordu. Avusturyalı grup, karanlık boyut için tahmin edilen 1 mikronluk aralığa eninde sonunda ulaşmayı umuyor.

Fizikçiler karanlık boyut önerisini ilgi çekici bulsa da bazıları bunun işe yarayacağı konusunda şüpheci. "Daha kesin deneyler yoluyla ekstra boyutlar aramak çok ilginç bir şey" dedi Juan Maldacenaİleri Araştırma Enstitüsü'nden fizikçi, "gerçi onları bulma olasılığının düşük olduğunu düşünüyorum."

Joseph ConlonOxford'dan bir fizikçi de bu şüpheyi paylaşıyor: "Doğru olsa önemli olabilecek ama muhtemelen doğru olmayan pek çok fikir var. Bu da onlardan biri. Dayandığı varsayımlar biraz iddialı ve bence bunlara ilişkin mevcut kanıtlar oldukça zayıf."

Elbette kanıtların ağırlığı değişebilir, bu yüzden ilk etapta deneyler yapıyoruz. Karanlık boyut önerisi, eğer gelecek testlerle desteklenirse, bizi karanlık maddenin ne olduğunu, hem karanlık enerjiyle hem de yerçekimiyle nasıl bağlantılı olduğunu ve yerçekiminin bilinen diğer kuvvetlerle karşılaştırıldığında neden zayıf göründüğünü anlamaya daha da yaklaştıracak potansiyele sahip. “Kuramcılar her zaman bu 'birbirine bağlanmayı' sağlamaya çalışıyorlar. Karanlık boyut bu yönde duyduğum en umut verici fikirlerden biri" dedi Gopakumar.

Ancak ironik bir şekilde, karanlık boyut hipotezinin açıklayamadığı tek şey, kozmolojik sabitin neden bu kadar şaşırtıcı derecede küçük olduğudur; bu, aslında tüm bu araştırma hattını başlatan kafa karıştırıcı bir gerçektir. Vafa, "Bu programın bu gerçeği açıklamadığı doğru" diye itiraf etti. "Fakat bu senaryodan yola çıkarak şunu söyleyebiliriz ki, eğer lambda küçükse - ve bunun sonuçlarını da açıklarsanız - bir dizi harika şey yerli yerine oturabilir."