Στο Multiverse Impasse, μια Νέα Θεωρία Κλίμακας

Αν και οι γαλαξίες φαίνονται μεγαλύτεροι από τα άτομα και οι ελέφαντες φαίνεται να υπερτερούν των μυρμηγκιών, ορισμένοι φυσικοί έχουν αρχίσει να υποψιάζονται ότι οι διαφορές μεγέθους είναι απατηλές. Ίσως η θεμελιώδης περιγραφή του σύμπαντος να μην περιλαμβάνει τις έννοιες της «μάζας» και του «μήκους», υπονοώντας ότι στον πυρήνα της, η φύση δεν έχει αίσθηση κλίμακας.

Αυτή η ελάχιστα εξερευνημένη ιδέα, γνωστή ως συμμετρία κλίμακας, αποτελεί μια ριζική απόκλιση από τις μακροχρόνιες υποθέσεις σχετικά με το πώς τα στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν τις ιδιότητές τους. Αλλά πρόσφατα αναδείχθηκε ως κοινό θέμα πολυάριθμων ομιλιών και εγγράφων από αξιοσέβαστους φυσικούς σωματιδίων. Με το πεδίο τους κολλημένο σε ένα δυσάρεστο αδιέξοδο, οι ερευνητές επέστρεψαν στις κύριες εξισώσεις που περιγράφουν τα γνωστά σωματίδια και τις αλληλεπιδράσεις τους και ρωτούν:Τι συμβαίνει όταν διαγράφετε τους όρους στις εξισώσεις που έχουν να κάνουν με τη μάζα και το μήκος;

Η φύση, στο βαθύτερο επίπεδο, μπορεί να μην κάνει διαφοροποίηση μεταξύ ζυγαριών. Με τη συμμετρία κλίμακας, οι φυσικοί ξεκινούν με μια βασική εξίσωση που ορίζει μια συλλογή σωματιδίων χωρίς μάζα, το καθένα μια μοναδική συρροή χαρακτηριστικών όπως αν είναι ύλη ή αντιύλη και έχει θετικό ή αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Καθώς αυτά τα σωματίδια έλκονται και απωθούν το ένα το άλλο και τα αποτελέσματα των αλληλεπιδράσεών τους κατακλύζονται σαν ντόμινο στους υπολογισμούς, η συμμετρία κλίμακας «σπάει» και προκύπτουν αυθόρμητα μάζες και μήκη.

Παρόμοια δυναμικά φαινόμενα δημιουργούν το 99 τοις εκατό της μάζας στο ορατό σύμπαν. Τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι αμαλγάματα — το καθένα ένα τρίο ελαφρών στοιχειωδών σωματιδίων που ονομάζονται κουάρκ. Η ενέργεια που χρησιμοποιείται για να συγκρατήσει αυτά τα κουάρκ μαζί τους δίνει μια συνδυασμένη μάζα που είναι περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από το άθροισμα των μερών. «Το μεγαλύτερο μέρος της μάζας που βλέπουμε δημιουργείται με αυτόν τον τρόπο, επομένως μας ενδιαφέρει να δούμε αν είναι δυνατόν να δημιουργηθεί όλη η μάζα με αυτόν τον τρόπο», δήλωσε ο Alberto Salvio, φυσικός σωματιδίων στο Αυτόνομο Πανεπιστήμιο της Μαδρίτης και ο συν-συγγραφέας μιας πρόσφατης εργασίας για μια κλίμακα-συμμετρική θεωρία της φύσης.

Στις εξισώσεις του «Τυποποιημένου Μοντέλου» της σωματιδιακής φυσικής, μόνο ένα σωματίδιο που ανακαλύφθηκε το 2012, που ονομάζεται μποζόνιο Higgs, έρχεται εξοπλισμένο με μάζα από την αρχή. Σύμφωνα με μια θεωρία που αναπτύχθηκε πριν από 50 χρόνια από τον Βρετανό φυσικό Πίτερ Χιγκς και τους συνεργάτες του, μεταδίδει μάζα σε άλλα στοιχειώδη σωματίδια μέσω των αλληλεπιδράσεών του με αυτά. Ηλεκτρόνια, μποζόνια W και Z, μεμονωμένα κουάρκ και ούτω καθεξής:Όλες οι μάζες τους πιστεύεται ότι προέρχονται από το μποζόνιο Higgs — και, σε ένα φαινόμενο ανάδρασης, καλούν ταυτόχρονα τη μάζα Higgs προς τα πάνω ή προς τα κάτω.

Η νέα προσέγγιση συμμετρίας κλίμακας ξαναγράφει την αρχή αυτής της ιστορίας.

«Η ιδέα είναι ότι ίσως ακόμη και η μάζα Higgs να μην είναι πραγματικά εκεί», είπε ο Alessandro Strumia, σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Πίζας στην Ιταλία. "Μπορεί να γίνει κατανοητό με κάποια δυναμική."

Η ιδέα φαίνεται τραβηγμένη, αλλά συγκεντρώνει το ενδιαφέρον σε μια εποχή εκτεταμένης αναζήτησης ψυχών στο πεδίο. Όταν ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στο Εργαστήριο CERN στη Γενεύη έκλεισε για αναβαθμίσεις στις αρχές του 2013, οι συγκρούσεις του απέτυχαν να δώσουν κανένα από τα δεκάδες σωματίδια που πολλοί θεωρητικοί είχαν συμπεριλάβει στις εξισώσεις τους για περισσότερα από 30 χρόνια. Το μεγάλο flop υποδηλώνει ότι οι ερευνητές μπορεί να έκαναν λάθος στροφή πριν από δεκαετίες στην κατανόηση του τρόπου υπολογισμού των μαζών των σωματιδίων.

«Δεν είμαστε σε θέση να έχουμε την πολυτέλεια να είμαστε ιδιαίτερα αλαζονικοί όσον αφορά την κατανόησή μας για το πώς πρέπει να μοιάζουν οι νόμοι της φύσης», δήλωσε ο Μάικλ Ντάιν, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα Κρουζ. ακολουθώντας τη νέα εργασία για τη συμμετρία κλίμακας. "Τα πράγματα για τα οποία μπορεί να ήμουν δύσπιστος πριν, είμαι πρόθυμος να διασκεδάσω."

Το γιγάντιο πρόβλημα Χιγκς

Η προσέγγιση συμμετρίας κλίμακας χρονολογείται από το 1995, όταν ο William Bardeen, θεωρητικός φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντών Fermi στη Μπαταβία, έδειξε ότι η μάζα του μποζονίου Higgs και των άλλων σωματιδίων του Καθιερωμένου Μοντέλου μπορούσε να υπολογιστεί ως συνέπειες αυθόρμητης κλίμακας σπάσιμο της συμμετρίας. Αλλά εκείνη τη στιγμή, η προσέγγιση του Bardeen απέτυχε να πιάσει. Η λεπτή ισορροπία των υπολογισμών του φαινόταν εύκολο να χαλάσει όταν οι ερευνητές προσπάθησαν να ενσωματώσουν νέα, μη ανακαλυφθέντα σωματίδια, όπως αυτά που έχουν τοποθετηθεί για να εξηγήσουν τα μυστήρια της σκοτεινής ύλης και της βαρύτητας.

Αντίθετα, οι ερευνητές στράφηκαν προς μια άλλη προσέγγιση που ονομάζεται «υπερσυμμετρία» που προέβλεπε φυσικά δεκάδες νέα σωματίδια. Ένα ή περισσότερα από αυτά τα σωματίδια θα μπορούσαν να ευθύνονται για τη σκοτεινή ύλη. Και η υπερσυμμετρία παρείχε επίσης μια απλή λύση σε ένα πρόβλημα τήρησης βιβλίων που έχει ταλαιπωρήσει τους ερευνητές από τις πρώτες μέρες του Καθιερωμένου Μοντέλου.

Στην τυπική προσέγγιση για την εκτέλεση υπολογισμών, οι αλληλεπιδράσεις του μποζονίου Higgs με άλλα σωματίδια τείνουν να ανυψώνουν τη μάζα του προς τις υψηλότερες κλίμακες που υπάρχουν στις εξισώσεις, παρασύροντας τις άλλες μάζες σωματιδίων μαζί του. «Η κβαντική μηχανική προσπαθεί να κάνει τους πάντες δημοκρατικούς», εξήγησε ο θεωρητικός φυσικός Joe Lykken, αναπληρωτής διευθυντής του Fermilab και συνεργάτης του Bardeen’s. "Τα σωματίδια θα εξισορροπηθούν μεταξύ τους μέσω των κβαντικών μηχανικών επιδράσεων."

Αυτή η δημοκρατική τάση δεν θα είχε σημασία αν τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου ήταν το τέλος της ιστορίας. Αλλά οι φυσικοί υποθέτουν ότι πολύ πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο, σε μια κλίμακα περίπου ένα δισεκατομμύριο φορές βαρύτερη γνωστή ως «μάζα Planck», υπάρχουν άγνωστοι γίγαντες που σχετίζονται με τη βαρύτητα. Αυτά τα βαριά βάρη αναμένεται να παχύνουν το μποζόνιο Higgs - μια διαδικασία που θα τραβούσε τη μάζα κάθε άλλου στοιχειώδους σωματιδίου μέχρι την κλίμακα Planck. Αυτό δεν έχει συμβεί. Αντίθετα, μια αφύσικη ιεραρχία φαίνεται να διαχωρίζει τα ελαφρά σωματίδια του τυπικού μοντέλου και τη μάζα Planck.

.

Με την προσέγγισή του ως προς τη συμμετρία κλίμακας, ο Μπαρντίν υπολόγισε τις μάζες του Καθιερωμένου Μοντέλου με έναν νέο τρόπο που δεν περιελάμβανε την κηλίδωση προς τις υψηλότερες κλίμακες. Από τη σκοπιά του, ο ελαφρύς Χιγκς φαινόταν απόλυτα φυσικός. Ωστόσο, δεν ήταν σαφές πώς θα μπορούσε να ενσωματώσει στους υπολογισμούς του βαρυτικά φαινόμενα κλίμακας Planck.

Εν τω μεταξύ, η υπερσυμμετρία χρησιμοποίησε τυπικές μαθηματικές τεχνικές και ασχολήθηκε με την ιεραρχία μεταξύ του Καθιερωμένου Μοντέλου και της κλίμακας Planck άμεσα. Η υπερσυμμετρία θέτει την ύπαρξη ενός δίδυμου σωματιδίου που λείπει για κάθε σωματίδιο που βρίσκεται στη φύση. Εάν για κάθε σωματίδιο που συναντά το μποζόνιο Χιγκς (όπως ένα ηλεκτρόνιο) συναντά επίσης το ελαφρώς βαρύτερο δίδυμο αυτού του σωματιδίου (το υποθετικό «σέλεκτον»), τα συνδυασμένα φαινόμενα σχεδόν θα ακυρωθούν, εμποδίζοντας τη μάζα Χιγκς να εκτοξευτεί προς τις υψηλότερες κλίμακες. Όπως το φυσικό ισοδύναμο του x + (–x) ≈ 0, η υπερσυμμετρία θα προστάτευε τη μικρή αλλά μη μηδενική μάζα του μποζονίου Higgs. Η θεωρία φαινόταν σαν το τέλειο συστατικό που λείπει για να εξηγήσει τις μάζες του Καθιερωμένου Μοντέλου — τόσο τέλεια που χωρίς αυτό, ορισμένοι θεωρητικοί λένε ότι το σύμπαν απλά δεν έχει νόημα.

Ωστόσο, δεκαετίες μετά την πρόβλεψή τους, κανένα από τα υπερσυμμετρικά σωματίδια δεν έχει βρεθεί. «Αυτό έψαχνε ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων, αλλά δεν έχει δει τίποτα», είπε ο Σάβας Δημόπουλος, καθηγητής σωματιδιακής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ που βοήθησε στην ανάπτυξη της υπόθεσης της υπερσυμμετρίας στις αρχές της δεκαετίας του 1980. "Κατά κάποιο τρόπο, το Higgs δεν προστατεύεται."

Ο LHC θα συνεχίσει να διερευνά περίπλοκες εκδοχές της υπερσυμμετρίας όταν ενεργοποιηθεί ξανά το επόμενο έτος, αλλά πολλοί φυσικοί έχουν γίνει όλο και περισσότερο πεπεισμένοι ότι η θεωρία έχει αποτύχει. Μόλις τον περασμένο μήνα στο Διεθνές Συνέδριο Φυσικής Υψηλής Ενέργειας στη Βαλένθια της Ισπανίας, οι ερευνητές που ανέλυσαν το μεγαλύτερο σύνολο δεδομένων από τον LHC δεν βρήκαν στοιχεία για υπερσυμμετρικά σωματίδια. (Τα δεδομένα δεν ευνοούν επίσης έντονα μια εναλλακτική πρόταση που ονομάζεται "technicolor.")

Οι επιπτώσεις είναι τεράστιες. Χωρίς υπερσυμμετρία, η μάζα του μποζονίου Higgs φαίνεται σαν να μειώνεται όχι από εφέ κατοπτρικής εικόνας αλλά από τυχαίες και απίθανες ακυρώσεις μεταξύ άσχετων αριθμών — ουσιαστικά, η αρχική μάζα του Higgs φαίνεται να αντισταθμίζει ακριβώς τις τεράστιες συνεισφορές στη μάζα του από τα γκλουόνια. κουάρκ, βαρυτικές καταστάσεις και όλα τα υπόλοιπα. Και αν το σύμπαν είναι απίθανο, τότε πολλά Οι φυσικοί υποστηρίζουν ότι πρέπει να είναι ένα σύμπαν από πολλά:απλώς μια σπάνια φούσκα σε ένα ατελείωτο, αφρισμένο «πολύσύμπαν». Παρατηρούμε αυτή τη συγκεκριμένη φυσαλίδα, ο συλλογισμός λέει, όχι επειδή οι ιδιότητές της έχουν νόημα, αλλά επειδή το περίεργο μποζόνιο Higgs ευνοεί το σχηματισμό ατόμων και, επομένως, την άνοδο της ζωής. Πιο τυπικές φυσαλίδες, με τα μποζόνια Higgs μεγέθους Planck, δεν είναι κατοικήσιμα.

"Δεν είναι μια πολύ ικανοποιητική εξήγηση, αλλά δεν υπάρχουν πολλά εκεί έξω", είπε ο Dine.

Ως λογικό συμπέρασμα των επικρατέστερων υποθέσεων, η υπόθεση του πολυσύμπαντος έχει αυξηθεί σε απίστευτη δημοτικότητα τα τελευταία χρόνια. Αλλά το επιχείρημα μοιάζει με μπάτσο για πολλούς, ή τουλάχιστον μια τεράστια απογοήτευση. Ένα σύμπαν που διαμορφώνεται από τυχαίες ακυρώσεις διαφεύγει της κατανόησης και η ύπαρξη απρόσιτων, εξωγήινων συμπάντων μπορεί να είναι αδύνατο να αποδειχθεί. «Και δεν είναι καθόλου ικανοποιητικό να χρησιμοποιούμε την υπόθεση του πολυσύμπαντος για να εξηγήσουμε μόνο πράγματα που δεν καταλαβαίνουμε», είπε ο Graham Ross, ομότιμος καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης.

Το multiverse ennui δεν μπορεί να διαρκέσει για πάντα.

«Οι άνθρωποι αναγκάζονται να προσαρμοστούν», είπε ο Μάνφρεντ Λίντνερ, καθηγητής φυσικής και διευθυντής του Ινστιτούτου Μαξ Πλανκ για την Πυρηνική Φυσική στη Χαϊδελβέργη, ο οποίος έχει συν-συγγράψει αρκετές νέες εργασίες για την προσέγγιση της συμμετρίας κλίμακας. Οι βασικές εξισώσεις της σωματιδιακής φυσικής χρειάζονται κάτι επιπλέον για να χαλιναγωγήσουν το μποζόνιο Higgs, και η υπερσυμμετρία μπορεί να μην είναι αυτή. Θεωρητικοί όπως ο Λίντνερ έχουν αρχίσει να ρωτούν:«Υπάρχει άλλη συμμετρία που θα μπορούσε να κάνει τη δουλειά, χωρίς να δημιουργήσει αυτή την τεράστια ποσότητα σωματιδίων που δεν είδαμε;»

Φαντάσματα πάλης

Συνεχίζοντας από εκεί που σταμάτησε ο Bardeen, ερευνητές όπως ο Salvio, η Strumia και ο Lindner πιστεύουν τώρα ότι η συμμετρία κλίμακας μπορεί να είναι η καλύτερη ελπίδα για την εξήγηση της μικρής μάζας του μποζονίου Higgs. "Για μένα, το να κάνω πραγματικούς υπολογισμούς είναι πιο ενδιαφέρον από το να κάνω τη φιλοσοφία του πολυσύμπαντος", είπε η Strumia, "ακόμα και αν είναι πιθανό αυτό το πολυσύμπαν να είναι σωστό."

Για να λειτουργήσει μια θεωρία συμμετρίας κλίμακας, πρέπει να λαμβάνει υπόψη τόσο τις μικρές μάζες του Καθιερωμένου Μοντέλου όσο και τις γιγάντιες μάζες που σχετίζονται με τη βαρύτητα. Στη συνηθισμένη προσέγγιση για την εκτέλεση των υπολογισμών, και οι δύο κλίμακες τοποθετούνται με το χέρι στην αρχή και όταν συνδέονται στις εξισώσεις, προσπαθούν να εξισορροπήσουν η μία την άλλη. Αλλά στη νέα προσέγγιση, και οι δύο κλίμακες πρέπει να προκύπτουν δυναμικά — και χωριστά — ξεκινώντας από το τίποτα.

"Η δήλωση ότι η βαρύτητα μπορεί να μην επηρεάσει τη μάζα Higgs είναι πολύ επαναστατική", είπε ο Δημόπουλος.

Μια θεωρία που ονομάζεται «βαρύτητα» (για «διαστάσεων βαρύτητα») που αναπτύχθηκε από τους Salvio και Strumia μπορεί να είναι η πιο συγκεκριμένη υλοποίηση της ιδέας της συμμετρίας κλίμακας μέχρι στιγμής. Η βαρύτητα υφαίνει τους νόμους της φυσικής σε όλες τις κλίμακες σε μια ενιαία, συνεκτική εικόνα στην οποία η μάζα Higgs και η μάζα Planck προκύπτουν και οι δύο μέσω ξεχωριστών δυναμικών επιδράσεων. Όπως αναλύθηκε τον Ιούνιο στο Journal of High-Energy Physics, η βαρύτητα προσφέρει επίσης μια εξήγηση για το γιατί το σύμπαν διογκώθηκε εξαρχής. Σύμφωνα με τη θεωρία, το σπάσιμο της συμμετρίας κλίμακας θα είχε προκαλέσει μια εκθετική επέκταση στο μέγεθος του χωροχρόνου κατά τη διάρκεια του Big Bang.

Ωστόσο, η θεωρία έχει αυτό που οι περισσότεροι ειδικοί θεωρούν ένα σοβαρό ελάττωμα:Απαιτεί την ύπαρξη παράξενων οντοτήτων που μοιάζουν με σωματίδια που ονομάζονται «φαντάσματα». Τα φαντάσματα είτε έχουν αρνητικές ενέργειες είτε αρνητικές πιθανότητες ύπαρξης — και τα δύο προκαλούν όλεθρο στις εξισώσεις του κβαντικού κόσμου.

«Οι αρνητικές πιθανότητες αποκλείουν την πιθανολογική ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής, επομένως αυτή είναι μια τρομερή επιλογή», ​​είπε η Kelly Stelle, θεωρητική σωματιδιακή φυσική στο Imperial College του Λονδίνου, η οποία έδειξε για πρώτη φορά το 1977 ότι ορισμένες θεωρίες βαρύτητας δημιουργούν φαντάσματα. Τέτοιες θεωρίες μπορούν να λειτουργήσουν, είπε ο Stelle, μόνο εάν τα φαντάσματα αποσυνδεθούν με κάποιο τρόπο από τα άλλα σωματίδια και κρατηθούν για τον εαυτό τους. «Έχουν γίνει πολλές προσπάθειες προς αυτή την κατεύθυνση. δεν είναι ένα νεκρό θέμα, απλώς μάλλον τεχνικό και χωρίς πολλή χαρά», είπε.

Η Strumia και ο Salvio πιστεύουν ότι, δεδομένων όλων των πλεονεκτημάτων της βαρύτητας, τα φαντάσματα αξίζουν μια δεύτερη ευκαιρία. «Όταν τα σωματίδια αντιύλης εξετάστηκαν για πρώτη φορά σε εξισώσεις, φαινόταν σαν αρνητική ενέργεια», είπε η Strumia. «Μου φάνηκαν ανοησίες. Ίσως αυτά τα φαντάσματα φαίνονται ανοησίες, αλλά μπορεί κανείς να βρει κάποια λογική ερμηνεία.»

Εν τω μεταξύ, άλλες ομάδες κατασκευάζουν τις δικές τους θεωρίες συμμετρικής κλίμακας. Ο Lindner και οι συνεργάτες του έχουν προτείνει ένα μοντέλο με έναν νέο «κρυφό τομέα» σωματιδίων, ενώ ο Bardeen, ο Lykken, η Marcela Carena και ο Martin Bauer του Fermilab και ο Wolfgang Altmannshofer του Ινστιτούτου Perimeter για Θεωρητική Φυσική στο Waterloo του Καναδά, διαφωνούν στις 14 Αυγούστου. χαρτί που οι κλίμακες του Καθιερωμένου Μοντέλου και η βαρύτητα διαχωρίζονται σαν από μετάβαση φάσης. Οι ερευνητές εντόπισαν μια κλίμακα μάζας όπου το μποζόνιο Higgs σταματά να αλληλεπιδρά με άλλα σωματίδια, προκαλώντας τη μείωση της μάζας τους στο μηδέν. Σε αυτό το σημείο χωρίς κλίμακα εμφανίζεται μια διασταύρωση που μοιάζει με αλλαγή φάσης. Και ακριβώς όπως το νερό συμπεριφέρεται διαφορετικά από τον πάγο, διαφορετικά σύνολα αυτοτελών νόμων λειτουργούν πάνω και κάτω από αυτό το κρίσιμο σημείο.

Για να ξεπεραστεί η έλλειψη ζυγαριάς, τα νέα μοντέλα απαιτούν μια τεχνική υπολογισμού που ορισμένοι ειδικοί θεωρούν μαθηματικά αμφίβολη, και γενικά, λίγοι θα πουν τι πραγματικά πιστεύουν για την όλη προσέγγιση. Είναι πολύ διαφορετικό, πολύ νέο. Ωστόσο, η βαρύτητα και τα άλλα συμμετρικά μοντέλα κλίμακας προβλέπουν το καθένα την ύπαρξη νέων σωματιδίων πέρα ​​από το Καθιερωμένο μοντέλο, και έτσι οι μελλοντικές συγκρούσεις στον αναβαθμισμένο LHC θα βοηθήσουν στη δοκιμή των ιδεών.

Στο μεταξύ, υπάρχει μια αίσθηση αναζωπύρωσης της ελπίδας.

«Ίσως τα μαθηματικά μας είναι λάθος», είπε ο Ντάιν. "Αν η εναλλακτική είναι το τοπίο του πολυσύμπαν, αυτό είναι ένα αρκετά δραστικό βήμα, οπότε, σίγουρα - ας δούμε τι άλλο μπορεί να είναι."