У «темному вимірі» фізики шукають втрачену речовину | Журнал Quanta

Коли справа доходить до розуміння структури Всесвіту, більшість того, що, на думку вчених, існує, належить до темної та темної сфери. Звичайна матерія, те, що ми можемо бачити і торкатися, становить лише 5% космосу. Решта, кажуть космологи, — це темна енергія і темна матерія, таємничі субстанції, названі «темними» частково через наше незнання їх справжньої природи.

Хоча жодна ідея, ймовірно, не пояснить усе, що ми сподіваємося знати про космос, ідея, представлена ​​два роки тому, може відповісти на кілька великих запитань. Називається сценарій темного виміру, він пропонує конкретний рецепт для темної матерії та припускає тісний зв’язок між темною матерією та темною енергією. Сценарій може також розповісти нам, чому гравітація — яка формує Всесвіт у найбільших масштабах — така слабка порівняно з іншими силами.

Сценарій пропонує ще небачений вимір, який живе в і без того складній сфері теорії струн, яка намагається об’єднати квантову механіку та теорію гравітації Ейнштейна. На додаток до чотирьох знайомих вимірів — трьох нескінченно великих просторових вимірів плюс один часовий — теорія струн припускає, що існує шість надзвичайно малих просторових вимірів.

У всесвіті темного виміру один із цих додаткових вимірів значно більший за інші. Замість того, щоб бути в 100 мільйонів трильйонів разів меншим за діаметр протона, він має приблизно 1 мікрон у поперечнику — дрібниця за повсякденними мірками, але величезна порівняно з іншими. Масивні частинки, які несуть силу тяжіння, генеруються в цьому темному вимірі, і вони складають темну матерію, яка, на думку вчених, становить приблизно 25% нашого Всесвіту та утворює клей, який утримує галактики разом. (Поточні оцінки свідчать, що решта 70% складається з темної енергії, яка сприяє розширенню Всесвіту.)

Сценарій «дозволяє нам встановити зв’язки між теорією струн, квантовою гравітацією, фізикою елементарних частинок і космологією, [одночасно] вирішуючи деякі таємниці, пов’язані з ними», — сказав він. Ігнатіос Антоніадіс, фізик з університету Сорбонна, який активно досліджує пропозицію про темний вимір.

Хоча доказів існування темного виміру ще немає, сценарій дає перевірені прогнози як для космологічних спостережень, так і для настільної фізики. Це означає, що нам, можливо, не доведеться довго чекати, щоб побачити, чи витримає гіпотеза під час емпіричного дослідження — чи її віднесуть до списку спокусливих ідей, які так і не виконали своїх початкових обіцянок.

«Темний вимір передбачається тут», — сказав фізик Раджеш Гопакумар, директор Міжнародного центру теоретичних наук у Бенгалуру, має «чесноту потенційно виключити досить легко, оскільки майбутні експерименти стають гострішими».

Ворожіння темного виміру

Темний вимір був натхненний давньою таємницею щодо космологічної константи — терміна, позначеного грецькою літерою лямбда, який Альберт Ейнштейн ввів у свої рівняння гравітації в 1917 році. Вірячи в статичний Всесвіт, як і багато його ровесників , Ейнштейн додав цей термін, щоб рівняння не описували Всесвіт, що розширюється. Але в 1920-х роках астрономи виявили, що Всесвіт дійсно розбухає, а в 1998 році вони помітили, що він зростає з прискореною швидкістю під впливом того, що зараз зазвичай називають темною енергією, яку також можна позначити в рівняннях лямбда.

Відтоді вчені боролися з однією вражаючою характеристикою лямбда: її оціночне значення 10^-122 в одиницях Планка — це «найменший вимірюваний параметр у фізиці». Кумрун Вафа, фізик Гарвардського університету. У 2022 році, враховуючи цю майже незбагненну малість із двома членами його дослідницької групи, Мігель Монтеро, зараз в Мадридському інституті теоретичної фізики, і Ірен Валенсуела, який зараз працює в CERN — Вафа зробив уявлення: така мізерна лямбда є справді екстремальним параметром, тобто його можна розглядати в рамках попередньої роботи Вафи в теорії струн.

Раніше він та інші сформулювали гіпотезу, яка пояснює, що відбувається, коли важливий фізичний параметр набуває екстремального значення. Називається припущенням про відстань, воно відноситься до «відстані» в абстрактному сенсі: коли параметр рухається до віддаленого краю можливості, таким чином припускаючи екстремальне значення, це матиме наслідки для інших параметрів.

Таким чином, у рівняннях теорії струн ключові значення, такі як маси частинок, лямбда або константи зв’язку, які визначають силу взаємодії, не є фіксованими. Зміна одного неминуче вплине на інші.

Наприклад, надзвичайно мала лямбда, як було помічено, повинна супроводжуватися набагато легшими, слабко взаємодіючими частинками з масами, безпосередньо пов’язаними зі значенням лямбда. «Якими вони можуть бути?» — здивувався Вафа.

Коли він і його колеги розмірковували над цим питанням, вони зрозуміли, що припущення про відстань і теорія струн разом дали ще одне ключове розуміння: щоб ці легкі частинки з’явилися, коли лямбда майже дорівнює нулю, один із додаткових вимірів теорії струн має бути значно більшим за інші — можливо, достатньо великі, щоб ми могли виявити його присутність і навіть виміряти. Вони прибули до темного виміру.

Темна Вежа

Щоб зрозуміти генезис передбачуваних легких частинок, нам потрібно перемотати космологічну історію до першої мікросекунди після Великого вибуху. У цей час у космосі домінувало випромінювання — фотони та інші частинки, що рухалися зі швидкістю, близькою до світла. Ці частинки вже описані Стандартною моделлю фізики елементарних частинок, але в сценарії темного виміру сімейство частинок, які не є частиною Стандартної моделі, може виникнути, коли звичні частки збиваються разом.

«Час від часу ці радіаційні частинки стикалися одна з одною, створюючи те, що ми називаємо «темними гравітонами», — сказав Жорж Об'єд, фізик з Оксфордського університету, який допомагав ремеслу теорія темних гравітонів.

Зазвичай фізики визначають гравітони як безмасові частинки, які рухаються зі швидкістю світла та передають силу тяжіння, подібно до безмасових фотонів, які передають електромагнітну силу. Але в цьому сценарії, як пояснив Обієд, ці ранні зіткнення створили інший тип гравітону — щось із масою. Більше того, вони створили ряд різних гравітонів.

«Є один безмасовий гравітон, який є звичайним гравітоном, який ми знаємо», — сказав Обієд. «І далі існує нескінченна кількість копій темних гравітонів, і всі вони масивні». Маси постульованих темних гравітонів є, грубо кажучи, цілим числом, помноженим на константу, M, значення якого прив’язане до космологічної сталої. А їх ціла «вежа» з широким діапазоном мас і рівнів енергії.

Щоб уявити, як це все може працювати, уявіть наш чотиривимірний світ як поверхню сфери. Ми не можемо залишити цю поверхню ніколи — на краще чи на гірше — і це також справедливо для кожної частинки в Стандартній моделі.

Гравітони, однак, можуть поширюватися всюди, з тієї ж причини, що гравітація існує всюди. І ось тут з’являється темний вимір.

Щоб уявити цей вимір, сказав Вафа, подумайте про кожну точку на уявній поверхні нашого чотиривимірного світу та прикріпіть до неї маленьку петлю. Ця петля є (принаймні схематично) додатковим виміром. Якщо дві частинки Стандартної моделі стикаються і створюють гравітон, гравітон «може просочитися в це позавимірне коло і подорожувати навколо нього, як хвиля», сказав Вафа. (Квантова механіка говорить нам, що кожна частинка, включаючи гравітони та фотони, може поводитись як частинка та хвиля — 100-річна концепція, відома як дуалізм хвиля-частка).

Оскільки гравітони просочуються в темний вимір, хвилі, які вони виробляють, можуть мати різні частоти, кожна з яких відповідає різним рівням енергії. І ці масивні гравітони, подорожуючи навколо надвимірної петлі, створюють значний гравітаційний вплив у точці, де петля приєднується до сфери.

«Можливо, це темна матерія?» — міркував Вафа. Гравітони, які вони придумали, зрештою, слабо взаємодіють, але здатні мати деяку гравітаційну силу. Однією з переваг цієї ідеї, зазначив він, є те, що гравітони були частиною фізики протягом 90 років, оскільки вперше були запропоновані як носії сили гравітації. (Слід зазначити, що гравітони є гіпотетичними частинками, і їх безпосередньо не виявлено.) Щоб пояснити темну матерію, «нам не потрібно вводити нову частинку», сказав він.

Гравітони, які можуть просочуватися в позавимірну область, є «природними кандидатами на темну матерію», сказав Георгій Двалі, директор Інституту фізики Макса Планка, який не працює безпосередньо над ідеєю темного виміру.

Великий вимір, такий як передбачуваний темний вимір, мав би місце для довгих хвиль, що означає низькочастотні частинки з низькою енергією та малою масою. Але якби темний гравітон просочився в один із крихітних вимірів теорії струн, його довжина хвилі була б надзвичайно короткою, а його маса та енергія дуже високими. Подібні надмасивні частинки були б нестабільними та дуже короткочасними. Вони «давно б зникли, — сказав Двалі, — і не мали б можливості служити темною матерією у нинішньому Всесвіті».

Гравітація та її носій, гравітони, пронизують усі виміри теорії струн. Але темний вимір настільки більший — на багато порядків величини — за інші додаткові виміри, що сила гравітації послабилася б, через що вона виглядала б слабкою в нашому чотиривимірному світі, якби вона помітно просочувалася в просторіший темний вимір. . «Це пояснює надзвичайну різницю [в силі] між гравітацією та іншими силами», — сказав Двалі, зазначивши, що той самий ефект спостерігатиметься в інші позавимірні сценарії.

Враховуючи, що сценарій темного виміру може передбачати такі речі, як темна матерія, його можна піддати емпіричному тесту. «Якщо я дам вам деяку кореляцію, яку ви ніколи не перевірите, ви ніколи не зможете довести, що я не правий», — сказав Валенсуела, співавтор оригінальний темний папір. «Набагато цікавіше передбачити щось, що можна фактично довести чи спростувати».

Загадки темряви

Астрономи знали про існування темної матерії — принаймні в певній формі — з 1978 року, коли астроном Віра Рубін встановила, що галактики обертаються настільки швидко, що зірки на їхніх крайніх краях відкидалися б у далечінь, якби не величезні резервуари чогось невидимого. речовина, яка їх стримує. Однак виявити цю речовину виявилося дуже важко. Незважаючи на майже 40 років експериментальних зусиль з виявлення темної матерії, такої частинки не було знайдено.

Якщо темна матерія виявиться темними гравітонами, які надзвичайно слабко взаємодіють, сказав Вафа, це не зміниться. «Вони ніколи не будуть знайдені безпосередньо».

Але можуть бути можливості опосередковано виявити сигнатури цих гравітонів.

Одна із стратегій, яку дотримуються Вафа та його співробітники, спирається на широкомасштабні космологічні дослідження, які показують розподіл галактик і матерії. За словами Обієда, у цих розподілах можуть бути «невеликі відмінності в поведінці кластеризації», що свідчить про наявність темних гравітонів.

Коли більш важкі темні гравітони розпадаються, вони утворюють пару легших темних гравітонів із загальною масою, яка трохи менша за масу їх батьківської частинки. Відсутня маса перетворюється на кінетичну енергію (згідно з формулою Ейнштейна, E = mc²), що дає новоствореним гравітонам деякий поштовх — «швидкість удару», яка, за оцінками, становить приблизно одну десятитисячну швидкості світла.

Ці ударні швидкості, у свою чергу, можуть впливати на формування галактик. Відповідно до стандартної космологічної моделі, галактики починаються із згустку матерії, гравітаційне тяжіння якої притягує більше матерії. Але гравітони з достатньою швидкістю удару можуть вирватися з цієї гравітаційної хватки. Якщо вони це зроблять, отримана галактика буде трохи меншою, ніж передбачає стандартна космологічна модель. Астрономи можуть знайти цю різницю.

Нещодавні спостереження космічної структури в рамках Kilo-Degree Survey поки що узгоджуються з темним виміром: аналіз даних цього огляду поставив верхню межу на швидкості удару, яка була дуже близькою до значення, передбаченого Obied та його співавторами. Більш суворе випробування прийде космічний телескоп Евклід, який запустили в липні минулого року.

Тим часом фізики також планують перевірити ідею темного виміру в лабораторії. Якщо гравітація просочується в темний вимір розміром 1 мікрон у поперечнику, можна, в принципі, шукати будь-які відхилення від очікуваної сили тяжіння між двома об’єктами, розділеними такою ж відстанню. Це непростий експеримент, сказав він Армін Шаєгі, фізик Австрійської академії наук, який проводить тест. Але «є проста причина, чому ми повинні провести цей експеримент», додав він: ми не дізнаємося, як поводиться гравітація на таких близьких відстанях, поки не подивимося.

Команда найближче вимірювання на сьогоднішній день — проведений у 2020 році в Університеті Вашингтона — передбачав відстань у 52 мікрони між двома тестовими тілами. Австрійська група сподівається зрештою досягти діапазону в 1 мікрон, передбаченого для темного виміру.

Хоча фізики вважають пропозицію про темний вимір інтригуючим, деякі скептично ставляться до того, що вона спрацює. «Пошук додаткових вимірів за допомогою більш точних експериментів — це дуже цікава справа», — сказав він Хуан Мальдасена, фізик з Інституту перспективних досліджень, «хоча я думаю, що ймовірність знайти їх низька».

Джозеф Конлон, фізик з Оксфорда, поділяє цей скептицизм: «Є багато ідей, які були б важливими, якби вони були правдою, але, ймовірно, ні. Це один із них. Припущення, на яких він базується, є дещо амбітними, і я думаю, що поточні докази для них досить слабкі».

Звичайно, вагомість доказів може змінюватися, тому ми в першу чергу проводимо експерименти. Пропозиція щодо темного виміру, якщо її підтримають майбутні випробування, може наблизити нас до розуміння того, що таке темна матерія, як вона пов’язана з темною енергією та гравітацією, і чому гравітація виглядає слабкою порівняно з іншими відомими силами. «Теоретики завжди намагаються це «зв’язати». Темний вимір — одна з найбільш багатообіцяючих ідей, які я чув у цьому напрямку», — сказав Гопакумар.

Але за іронією долі одна річ, яку гіпотеза темного виміру не може пояснити, це те, чому космологічна константа така приголомшливо мала — загадковий факт, який, по суті, започаткував весь цей напрямок дослідження. «Це правда, що ця програма не пояснює цей факт», – визнав Вафа. «Але те, що ми можемо сказати, виходячи з цього сценарію, полягає в тому, що якщо лямбда мала — і ви опишете наслідки цього — ціла низка дивовижних речей може стати на свої місця».