Μια νέα θεωρία για την εξήγηση της μάζας Higgs

Τρεις φυσικοί που συνεργάζονται στην περιοχή του κόλπου του Σαν Φρανσίσκο τον περασμένο χρόνο επινόησαν μια νέα λύση σε ένα μυστήριο που βασανίζει τον τομέα τους για περισσότερα από 30 χρόνια. Αυτό το βαθύ παζλ, που οδήγησε σε πειράματα σε όλο και πιο ισχυρούς επιταχυντές σωματιδίων και έδωσε αφορμή για την αμφιλεγόμενη υπόθεση του πολυσύμπαντος, ισοδυναμεί με κάτι που μπορεί να αναρωτηθεί ένας λαμπερός μαθητής της τέταρτης δημοτικού:Πώς μπορεί ένας μαγνήτης να σηκώσει έναν συνδετήρα ενάντια στη βαρυτική έλξη ολόκληρου του πλανήτη;

Παρά την επιρροή της στην κίνηση των άστρων και των γαλαξιών, η δύναμη της βαρύτητας είναι εκατοντάδες εκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές πιο αδύναμη από τον μαγνητισμό και τις άλλες μικροσκοπικές δυνάμεις της φύσης. Αυτή η διαφορά εμφανίζεται στις εξισώσεις της φυσικής ως μια παρόμοια παράλογη διαφορά μεταξύ της μάζας του μποζονίου Χιγκς, ενός σωματιδίου που ανακαλύφθηκε το 2012 και ελέγχει τις μάζες και τις δυνάμεις που σχετίζονται με τα άλλα γνωστά σωματίδια, και το αναμενόμενο εύρος μάζας της βαρυτικής δύναμης που δεν έχει ανακαλυφθεί ακόμη. καταστάσεις της ύλης.

Ελλείψει στοιχείων από τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων της Ευρώπης (LHC) που να υποστηρίζουν οποιαδήποτε από τις θεωρίες που προτάθηκαν προηγουμένως για να εξηγηθεί αυτή η παράλογη μαζική ιεραρχία - συμπεριλαμβανομένης της σαγηνευτικά κομψής «υπερσυμμετρίας» - πολλοί φυσικοί έχουν έρθει να αμφισβητήσουν την ίδια τη λογική των νόμων της φύσης. Όλο και περισσότερο, ανησυχούν ότι το σύμπαν μας μπορεί να είναι απλώς μια τυχαία, μάλλον παράξενη μετάθεση ανάμεσα σε αμέτρητα άλλα πιθανά σύμπαντα — ένα αποτελεσματικό αδιέξοδο στην αναζήτηση μιας συνεκτικής θεωρίας της φύσης.

Αυτόν τον μήνα, ο LHC ξεκίνησε την πολυαναμενόμενη δεύτερη λειτουργία του με σχεδόν διπλάσια ενέργεια από την προηγούμενη λειτουργία του, συνεχίζοντας την αναζήτηση νέων σωματιδίων ή φαινομένων που θα έλυσαν το πρόβλημα της ιεραρχίας. Αλλά η πολύ πραγματική πιθανότητα να μην υπάρχουν νέα σωματίδια στη γωνία έχει αφήσει τους θεωρητικούς φυσικούς να αντιμετωπίσουν το «εφιαλτικό σενάριο» τους. Τους έχει επίσης βάλει σε σκέψεις.

«Σε στιγμές κρίσης αναπτύσσονται νέες ιδέες», είπε ο Gian Giudice, ένας θεωρητικός σωματιδιακός φυσικός στο εργαστήριο CERN κοντά στη Γενεύη, όπου στεγάζεται ο LHC.

Η νέα πρόταση προσφέρει έναν πιθανό δρόμο προς τα εμπρός. Το τρίο είναι «σούπερ ενθουσιασμένο», είπε ο Ντέιβιντ Κάπλαν, 46, ένας θεωρητικός σωματιδιακός φυσικός από το Πανεπιστήμιο Johns Hopkins στη Βαλτιμόρη, ο οποίος ανέπτυξε το μοντέλο κατά τη διάρκεια ενός σαββατικού αγώνα στη Δυτική Ακτή με τον Peter Graham, 35 ετών, από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ και τη Surjeet Rajendran. 32, του University of California, Berkeley.

Η επίλυσή τους ανιχνεύει την ιεραρχία μεταξύ της βαρύτητας και των άλλων θεμελιωδών δυνάμεων πίσω στην εκρηκτική γέννηση του σύμπαντος, όταν, όπως προτείνει το μοντέλο τους, δύο μεταβλητές που εξελίσσονταν παράλληλα ξαφνικά μπήκαν σε αδιέξοδο. Εκείνη τη στιγμή, ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται «άξιον» κλείδωσε το μποζόνιο Higgs στη σημερινή του μάζα, πολύ κάτω από την κλίμακα της βαρύτητας. Το axion εμφανίστηκε σε θεωρητικές εξισώσεις από το 1977 και θεωρείται πιθανό να υπάρχει. Ωστόσο, κανείς, μέχρι τώρα, δεν είχε παρατηρήσει ότι τα άξιον θα μπορούσαν να είναι αυτό που το τρίο αποκαλεί «χαλάρωση», λύνοντας το πρόβλημα της ιεραρχίας «χαλαρώνοντας» την τιμή της μάζας Higgs.

«Είναι μια πολύ, πολύ έξυπνη ιδέα», είπε ο Raman Sundrum, ένας θεωρητικός σωματιδιακός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Maryland στο College Park που δεν συμμετείχε στην ανάπτυξή της. "Ενδεχομένως κάποια εκδοχή αυτού να είναι ο τρόπος με τον οποίο λειτουργεί ο κόσμος."

Τις εβδομάδες από τότε που η εφημερίδα της τριάδας εμφανίστηκε στο Διαδίκτυο, άνοιξε «μια νέα παιδική χαρά» γεμάτη με ερευνητές πρόθυμους να αναθεωρήσουν τις αδυναμίες της και να πάρουν τη βασική της υπόθεση σε διαφορετικές κατευθύνσεις, είπε ο Ναθάνιελ Κρεγκ, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στη Σάντα. Βαρβάρα.

«Αυτό φαίνεται σαν μια πολύ απλή πιθανότητα», είπε ο Rajendran. «Δεν στεκόμαστε στα κεφάλια μας για να κάνουμε κάτι τρελό εδώ. Θέλει απλώς να δουλέψει."

Ωστόσο, όπως σημείωσαν αρκετοί ειδικοί, στην τρέχουσα μορφή της η ιδέα έχει ελλείψεις που θα πρέπει να εξεταστούν προσεκτικά. Και ακόμη κι αν επιβιώσει από αυτόν τον έλεγχο, θα μπορούσε να χρειαστεί περισσότερο από μια δεκαετία για να δοκιμαστεί πειραματικά. Προς το παρόν, είπαν οι ειδικοί, η χαλάρωση κλονίζει τις μακροχρόνιες απόψεις και ενθαρρύνει ορισμένους φυσικούς να δουν το πρόβλημα της ιεραρχίας με νέο πρίσμα. Το μάθημα, είπε ο Μάικλ Ντάιν, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σάντα Κρουζ, και βετεράνος του προβλήματος της ιεραρχίας, είναι «να μην τα παρατήσουμε και να υποθέσουμε ότι δεν θα μπορέσουμε να το καταλάβουμε». P>

Μια αφύσικη ισορροπία

Παρά το γλέντι γύρω από την ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς το 2012, το οποίο ολοκλήρωσε το «Κανονικό Μοντέλο» της σωματιδιακής φυσικής και κέρδισε στους Peter Higgs και François Englert το Νόμπελ Φυσικής 2013, δεν ήταν καθόλου έκπληξη. Η ύπαρξη του σωματιδίου και η μετρούμενη μάζα των 125 giga-ηλεκτρον βολτ (GeV) συμφωνούν με χρόνια έμμεσων αποδείξεων. Είναι αυτό που δεν βρέθηκε στο LHC που άφησε τους ειδικούς σε αμηχανία. Δεν εμφανίστηκε τίποτα που θα μπορούσε να συμφιλιώσει τη μάζα Higgs με την προβλεπόμενη κλίμακα μάζας που σχετίζεται με τη βαρύτητα, η οποία βρίσκεται πέρα ​​από την πειραματική εμβέλεια στα 10.000.000.000.000.000.000 GeV.

«Το θέμα είναι ότι στην κβαντική μηχανική, τα πάντα επηρεάζουν όλα τα άλλα», εξήγησε ο Giudice. Οι υπερ-βαριές βαρυτικές καταστάσεις θα πρέπει να αναμειγνύονται κβαντομηχανικά με το μποζόνιο Higgs, συμβάλλοντας τεράστιους παράγοντες στην αξία της μάζας του. Ωστόσο, κατά κάποιο τρόπο, το μποζόνιο Higgs καταλήγει ελαφρύ. Είναι λες και όλοι οι τεράστιοι παράγοντες που επηρεάζουν τη μάζα του - άλλοι θετικοί, άλλοι αρνητικοί, αλλά όλα τα δεκάδες ψηφία - έχουν ακυρωθεί ως δια μαγείας, αφήνοντας πίσω τους μια εξαιρετικά μικρή αξία. Η απίθανη ακριβής ακύρωση αυτών των παραγόντων φαίνεται «ύποπτη», είπε ο Giudice. "Νομίζεις, καλά, πρέπει να υπάρχει κάτι άλλο πίσω από αυτό."

Οι ειδικοί συχνά συγκρίνουν τη λεπτώς συντονισμένη μάζα Higgs με ένα μολύβι που στέκεται στην μολύβδινη μύτη του, που ωθείται με αυτόν τον τρόπο από ισχυρές δυνάμεις όπως τα ρεύματα αέρα και οι δονήσεις του τραπεζιού που κατά κάποιο τρόπο έχουν επιτύχει μια τέλεια ισορροπία. «Δεν είναι μια κατάσταση αδυναμίας. είναι μια κατάσταση εξαιρετικά μικρής πιθανότητας», δήλωσε ο Σάβας Δημόπουλος από το Στάνφορντ. Αν συναντούσες ένα τέτοιο μολύβι, είπε, «πρώτα θα κουνούσες το χέρι σου πάνω από το μολύβι για να δεις αν υπήρχε κάποιο κορδόνι που το κρατούσε από το ταβάνι. [Στη συνέχεια] θα κοιτάξετε την άκρη για να δείτε αν υπάρχει τσίχλα.»

Οι φυσικοί αναζήτησαν παρομοίως μια φυσική εξήγηση για το πρόβλημα της ιεραρχίας από τη δεκαετία του 1970, πεπεισμένοι ότι η αναζήτηση θα τους οδηγούσε σε μια πιο ολοκληρωμένη θεωρία της φύσης, ίσως ακόμη και να εμφανίσουν τα σωματίδια πίσω από τη «σκοτεινή ύλη», την αόρατη ουσία που διαπερνά τους γαλαξίες. "Η φυσικότητα ήταν πραγματικά το μοτίβο αυτής της έρευνας", είπε ο Giudice.

Από τη δεκαετία του 1980, η πιο δημοφιλής πρόταση ήταν η υπερσυμμετρία. Επιλύει το πρόβλημα της ιεραρχίας υποθέτοντας ένα δίδυμο που δεν έχει ακόμη ανακαλυφθεί για κάθε στοιχειώδες σωματίδιο:για το ηλεκτρόνιο, ένα υποθετικό «σέλεκτον», για κάθε κουάρκ, ένα «σκουάρκ» και ούτω καθεξής. Τα δίδυμα συνεισφέρουν αντίθετους όρους στη μάζα του μποζονίου Higgs, καθιστώντας το ανοσία στις επιδράσεις των σωματιδίων πολύ βαριάς βαρύτητας (καθώς ακυρώνονται από τα αποτελέσματα των διδύμων τους).

Ωστόσο, δεν προέκυψαν στοιχεία για υπερσυμμετρία ή για οποιεσδήποτε ανταγωνιστικές ιδέες - όπως "technicolor" και "στρεβλωμένες επιπλέον διαστάσεις" - κατά την πρώτη λειτουργία του LHC από το 2010 έως το 2013. Όταν ο επιταχυντής έκλεισε για αναβαθμίσεις στις αρχές του 2013 χωρίς να έχει βρεθεί ένα μόνο «σωματίδιο» ή οποιοδήποτε άλλο σημάδι της φυσικής πέρα ​​από το Καθιερωμένο Μοντέλο, πολλοί ειδικοί θεώρησαν ότι δεν μπορούσαν πλέον να αποφύγουν να σκεφτούν μια σκληρή εναλλακτική. Τι θα συμβεί αν η μάζα Higgs, και κατ' επέκταση οι νόμοι της φύσης, είναι αφύσικη; Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι αν η μάζα του μποζονίου Higgs ήταν λίγες φορές βαρύτερη και όλα τα άλλα έμεναν ίδια, τα πρωτόνια δεν θα μπορούσαν πλέον να συγκεντρωθούν σε άτομα και δεν θα υπήρχαν πολύπλοκες δομές - ούτε αστέρια ή ζωντανά όντα. Λοιπόν, τι θα γινόταν αν το σύμπαν μας είναι πραγματικά τόσο τυχαία ρυθμισμένο όσο ένα μολύβι ισορροπημένο στην άκρη του, που ξεχωρίζει όπως η κοσμική μας διεύθυνση από μια ασύλληπτα τεράστια σειρά συμπάντων με φυσαλίδες μέσα σε μια αιώνια αφρίζουσα θάλασσα απλώς και μόνο επειδή η ζωή απαιτεί μια τόσο εξωφρενική υπάρχει ατύχημα;

Αυτή η υπόθεση του πολυσύμπαντος, η οποία επικρατεί στις συζητήσεις για το πρόβλημα της ιεραρχίας από τα τέλη της δεκαετίας του 1990, θεωρείται ως μια ζοφερή προοπτική από τους περισσότερους φυσικούς. «Απλώς δεν ξέρω τι να κάνω με αυτό», είπε ο Κρεγκ. «Δεν ξέρουμε ποιοι είναι οι κανόνες». Άλλες φυσαλίδες του πολυσύμπαντος, αν υπάρχουν, βρίσκονται πέρα ​​από τα όρια της φωτεινής επικοινωνίας, περιορίζοντας για πάντα τις θεωρίες για το πολυσύμπαν σε αυτό που μπορούμε να παρατηρήσουμε μέσα από τη μοναχική μας φούσκα. Χωρίς τρόπο να πούμε πού βρίσκεται το σημείο δεδομένων μας στο τεράστιο φάσμα των δυνατοτήτων σε ένα πολυσύμπαν, καθίσταται δύσκολο ή αδύνατο να δημιουργήσουμε επιχειρήματα βασισμένα σε πολυσύμπαν σχετικά με το γιατί το σύμπαν μας είναι όπως είναι. «Δεν ξέρω σε ποιο σημείο θα πειστούμε ποτέ», είπε ο Ντάιν. «Πώς θα το διευθετούσατε; Πώς θα το ξέρατε;»

Ο Χιγκς και η Χαλάρωση

Ο Kaplan επισκέφτηκε το Bay Area το περασμένο καλοκαίρι για να συνεργαστεί με τους Graham και Rajendran, τους οποίους γνώριζε επειδή και οι τρεις είχαν εργαστεί σε διάφορες περιόδους υπό τον Δημόπουλο, ο οποίος ήταν ένας από τους βασικούς δημιουργούς της υπερσυμμετρίας. Κατά τη διάρκεια του περασμένου έτους, το τρίο μοίρασε τον χρόνο του μεταξύ Μπέρκλεϋ και Στάνφορντ - και των διαφόρων καφετέριες, μεσημεριανά εστιατόρια και παγωτατζίδικα που συνορεύουν με τις δύο πανεπιστημιουπόλεις - ανταλλάσσοντας «εμβρυϊκά κομμάτια της ιδέας», είπε ο Γκράχαμ, και σταδιακά αναπτύσσοντας μια νέα ιστορία προέλευσης για οι νόμοι της σωματιδιακής φυσικής.

Εμπνευσμένοι από μια προσπάθεια του Larry Abbott το 1984 να αντιμετωπίσει ένα διαφορετικό πρόβλημα φυσικότητας στη φυσική, προσπάθησαν να αναδιατυπώσουν τη μάζα Higgs ως μια εξελισσόμενη παράμετρο, μια παράμετρο που θα μπορούσε δυναμικά να «χαλαρώσει» στη μικροσκοπική τιμή της κατά τη γέννηση του σύμπαντος αντί να ξεκινήσει. ως σταθερή, φαινομενικά απίθανη σταθερά. «Παρόλο που χρειάστηκαν έξι μήνες αδιέξοδων και πραγματικά ανόητα μοντέλα και πολύ μπαρόκ, περίπλοκα πράγματα, καταλήξαμε σε αυτήν την πολύ απλή εικόνα», είπε ο Kaplan.

Στο μοντέλο τους, η μάζα Higgs εξαρτάται από την αριθμητική τιμή ενός υποθετικού πεδίου που διαπερνά το χώρο και τον χρόνο:ένα πεδίο άξονα. Για να το φανταστούμε, «νομίζουμε ότι το σύνολο του χώρου είναι αυτό το 3-D στρώμα», είπε ο Δημόπουλος. Η τιμή σε κάθε σημείο του πεδίου αντιστοιχεί στο πόσο συμπιεσμένα είναι εκεί τα ελατήρια του στρώματος. Έχει αναγνωριστεί εδώ και καιρό ότι η ύπαρξη αυτού του στρώματος - και οι δονήσεις του με τη μορφή αξιονίων - θα μπορούσαν να λύσουν δύο βαθιά μυστήρια:Πρώτον, το πεδίο του άξονα θα εξηγούσε γιατί οι περισσότερες αλληλεπιδράσεις μεταξύ πρωτονίων και νετρονίων τρέχουν τόσο προς τα εμπρός όσο και προς τα πίσω, λύνοντας ό,τι είναι γνωστό ως το πρόβλημα του «ισχυρού CP». Και τα αξιόνια θα μπορούσαν να συνθέσουν τη σκοτεινή ύλη. Η επίλυση του προβλήματος της ιεραρχίας θα ήταν ένα τρίτο εντυπωσιακό επίτευγμα.

Η ιστορία του νέου μοντέλου ξεκινά όταν το σύμπαν ήταν μια κουκκίδα με ενέργεια. Το στρώμα axion ήταν εξαιρετικά συμπιεσμένο, γεγονός που έκανε τη μάζα Higgs τεράστια. Καθώς το σύμπαν επεκτεινόταν, οι πηγές χαλάρωσαν, λες και η ενέργειά τους εξαπλώθηκε μέσα από τις πηγές του νεοδημιουργημένου χώρου. Καθώς η ενέργεια διασκορπίστηκε, το ίδιο έκανε και η μάζα Higgs. Όταν η μάζα έπεσε στην τρέχουσα τιμή της, προκάλεσε μια σχετική μεταβλητή να βυθιστεί πέρα ​​από το μηδέν, ενεργοποιώντας το πεδίο Higgs, μια οντότητα σαν μελάσα που δίνει μάζα στα σωματίδια που κινούνται μέσα από αυτήν, όπως τα ηλεκτρόνια και τα κουάρκ. Τεράστια κουάρκ αλληλεπιδρούσαν με τη σειρά τους με το πεδίο του άξονα, δημιουργώντας κορυφογραμμές στον μεταφορικό λόφο που η ενέργειά του είχε κυλήσει προς τα κάτω. Το άξιον πεδίο κόλλησε. Και το ίδιο έκανε και η μάζα Higgs.

Σε αυτό που ο Sundrum αποκάλεσε μια ριζική ρήξη από τα προηγούμενα μοντέλα, το νέο δείχνει πώς η σύγχρονη μαζική ιεραρχία θα μπορούσε να έχει σμιλευτεί από τη γέννηση του σύμπαντος. "Το γεγονός ότι έχουν βάλει εξισώσεις σε αυτό με ρεαλιστική έννοια είναι πραγματικά αξιοσημείωτο", είπε.

Ο Δημόπουλος παρατήρησε τον εντυπωσιακό μινιμαλισμό του μοντέλου, το οποίο χρησιμοποιεί κυρίως προκαθορισμένες ιδέες. «Άνθρωποι σαν εμένα που έχουν επενδύσει αρκετά σε αυτές τις άλλες προσεγγίσεις του προβλήματος της ιεραρχίας εξεπλάγησαν με μεγάλη χαρά που δεν χρειάζεται να ψάξεις πολύ μακριά», είπε. «Στην πίσω αυλή του Standard Model, η λύση ήταν εκεί. Χρειάστηκαν πολύ έξυπνοι νέοι για να το συνειδητοποιήσουν αυτό.

«Αυτό ανεβάζει την τιμή της μετοχής του axion», πρόσθεσε. Πρόσφατα, το πείραμα Axion Dark Matter στο Πανεπιστήμιο της Ουάσιγκτον στο Σιάτλ άρχισε να αναζητά τις σπάνιες μετατροπές των αξόνων της σκοτεινής ύλης σε φως μέσα σε ισχυρά μαγνητικά πεδία. Τώρα, ο Δημόπουλος είπε, «Θα πρέπει να ψάξουμε ακόμη περισσότερο για να το βρούμε».

Ωστόσο, όπως πολλοί ειδικοί, η Nima Arkani-Hamed του Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον της Νέας Υόρκης, σημείωσε ότι είναι νωρίς για αυτήν την πρόταση. Αν και «είναι σίγουρα έξυπνο», είπε, η τρέχουσα εφαρμογή του είναι τραβηγμένη. Για παράδειγμα, για να έχει κολλήσει το πεδίο του άξονα στις κορυφογραμμές που δημιουργούνται από τα κουάρκ αντί να κυλάει δίπλα τους, ο κοσμικός πληθωρισμός πρέπει να έχει προχωρήσει πολύ πιο αργά από ό,τι έχουν υποθέσει οι περισσότεροι κοσμολόγοι. «Προσθέτετε 10 δισεκατομμύρια χρόνια πληθωρισμού», είπε. "Πρέπει να αναρωτιέστε γιατί όλη η κοσμολογία κανονίζεται μόνο για να συμβεί αυτό."

Και ακόμη κι αν ανακαλυφθεί το άξιον, αυτό από μόνο του δεν θα αποδείκνυε ότι είναι η «χαλάρωση» - ότι χαλαρώνει την τιμή της μάζας Higgs. Καθώς η παραμονή του Kaplan στο Bay Area τελειώνει, αυτός, ο Graham και ο Rajendran αρχίζουν να αναπτύσσουν ιδέες για το πώς να δοκιμάσουν αυτή την πτυχή του μοντέλου τους. Μπορεί τελικά να είναι δυνατό να ταλαντωθεί ένα πεδίο άξονα, για παράδειγμα, για να δούμε αν αυτό επηρεάζει τις μάζες των κοντινών στοιχειωδών σωματιδίων, μέσω της μάζας Higgs. «Θα βλέπατε τη μάζα των ηλεκτρονίων να κουνιέται», είπε ο Γκράχαμ.

Αυτές οι δοκιμές της πρότασης δεν θα γίνουν για πολλά χρόνια. (Το μοντέλο δεν προβλέπει νέα φαινόμενα που θα ανίχνευε ο LHC.) Και ρεαλιστικά, είπαν αρκετοί ειδικοί, αντιμετωπίζει μεγάλες πιθανότητες. Τόσες πολλές έξυπνες προτάσεις έχουν αποτύχει με τα χρόνια που πολλοί φυσικοί είναι αντανακλαστικά σκεπτικιστές. Ωστόσο, το ενδιαφέρον νέο μοντέλο προσφέρει μια έγκαιρη δόση αισιοδοξίας.

«Πιστεύαμε ότι είχαμε σκεφτεί τα πάντα και δεν υπήρχε τίποτα νέο κάτω από τον ήλιο», είπε ο Sundrum. "Αυτό δείχνει ότι οι άνθρωποι είναι αρκετά έξυπνοι και υπάρχει ακόμα χώρος για νέες ανακαλύψεις."

Σημείωση του συντάκτη:Ο David Kaplan φιλοξενεί το του Quanta Magazine In Theoryσειρά βίντεο .