I en 'mørk dimension' søger fysikere efter manglende stof | Quanta Magasinet

Når det kommer til at forstå universets struktur, er det meste af det, videnskabsmænd tror eksisterer, overgivet til et mørkt, grumset domæne. Almindelig stof, de ting vi kan se og røre ved, udgør kun 5% af kosmos. Resten, siger kosmologer, er mørk energi og mørkt stof, mystiske stoffer, der er mærket "mørke", delvist for at afspejle vores uvidenhed om deres sande natur.

Selvom ingen enkelt idé sandsynligvis vil forklare alt, hvad vi håber at vide om kosmos, kunne en idé, der blev introduceret for to år siden, besvare et par store spørgsmål. Kaldes til mørk dimension scenarie, det giver en specifik opskrift på mørkt stof, og det antyder en intim forbindelse mellem mørkt stof og mørk energi. Scenariet kan også fortælle os, hvorfor tyngdekraften - som skulpturerer universet på de største skalaer - er så svag sammenlignet med de andre kræfter.

Scenariet foreslår en endnu usynlig dimension, der lever inden for strengteoriens allerede komplekse område, som forsøger at forene kvantemekanikken og Einsteins tyngdekraftsteori. Ud over de fire velkendte dimensioner - tre uendeligt store rumlige dimensioner plus en af ​​tid - antyder strengteori, at der er seks overordentlig små rumlige dimensioner.

I den mørke dimensions univers er en af ​​disse ekstra dimensioner betydeligt større end de andre. I stedet for at være 100 millioner billioner gange mindre end diameteren af ​​en proton, måler den omkring 1 mikron på tværs - minut efter hverdagsstandarder, men enorm sammenlignet med de andre. Massive partikler, der bærer tyngdekraften, genereres inden for denne mørke dimension, og de udgør det mørke stof, som videnskabsmænd mener udgør omkring 25 % af vores univers og danner den lim, der holder galakser sammen. (Nuværende skøn hævder, at de resterende 70 % består af mørk energi, som driver universets udvidelse.)

Scenariet "giver os mulighed for at skabe forbindelser mellem strengteori, kvantetyngdekraft, partikelfysik og kosmologi, mens vi behandler nogle af mysterierne relateret til dem," sagde Ignatios Antoniadis, en fysiker ved Sorbonne University, der aktivt undersøger forslaget om mørke dimensioner.

Selvom der endnu ikke er beviser for, at den mørke dimension eksisterer, giver scenariet testbare forudsigelser for både kosmologiske observationer og bordpladefysik. Det betyder, at vi måske ikke skal vente længe for at se, om hypotesen vil holde op under empirisk undersøgelse - eller blive henvist til listen over fristende ideer, der aldrig opfyldte deres oprindelige løfte.

"Den mørke dimension forestillet sig her," sagde fysikeren Rajesh Gopakumar, direktør for International Center for Theoretical Sciences i Bengaluru, har "den fordel at blive potentielt udelukket ret let, efterhånden som kommende eksperimenter bliver skarpere."

Divining the Dark Dimension

Den mørke dimension var inspireret af et mangeårigt mysterium vedrørende den kosmologiske konstant - et udtryk, der er angivet med det græske bogstav lambda, som Albert Einstein introducerede i sine tyngdekraftsligninger i 1917. Troede på et statisk univers, som mange af hans jævnaldrende gjorde. , tilføjede Einstein udtrykket for at forhindre ligningerne i at beskrive et ekspanderende univers. Men i 1920'erne opdagede astronomer, at universet faktisk er ved at svulme op, og i 1998 observerede de, at det vokser med et accelereret klip, drevet frem af det, der nu almindeligvis omtales som mørk energi - som også kan betegnes i ligninger med lambda.

Siden da har videnskabsmænd kæmpet med en slående egenskab ved lambda: dens anslåede værdi på 10^-122 i Planck-enheder er "den mindste målte parameter i fysik," sagde Cumrun Vafa, fysiker ved Harvard University. I 2022, mens man overvejer den næsten uudgrundelige lillehed med to medlemmer af hans forskerhold - Miguel Montero, nu ved Madrids Institut for Teoretisk Fysik, og Irene Valenzuela, i øjeblikket på CERN — Vafa havde en indsigt: Sådan en lille lambda er en virkelig ekstrem parameter, hvilket betyder, at den kunne betragtes inden for rammerne af Vafas tidligere arbejde inden for strengteori.

Tidligere havde han og andre formuleret en formodning, der forklarer, hvad der sker, når en vigtig fysisk parameter får en ekstrem værdi. Kaldet afstandsformodningen refererer det til "afstand" i abstrakt forstand: Når en parameter bevæger sig mod den fjerneste kant af mulighed, og derved antager en ekstrem værdi, vil der være konsekvenser for de andre parametre.

I strengteoriens ligninger er nøgleværdier - såsom partikelmasser, lambda eller koblingskonstanter, der dikterer styrken af ​​interaktioner - således ikke faste. At ændre en vil uundgåeligt påvirke de andre.

For eksempel bør en ekstraordinært lille lambda, som det er blevet observeret, ledsages af meget lettere, svagt interagerende partikler med masser direkte forbundet med lambdas værdi. "Hvad kunne de være?" undrede Vafa sig.

Da han og hans kolleger overvejede det spørgsmål, indså de, at afstandsformodningerne og strengteorien kombinerede for at give endnu en nøgleindsigt: For at disse letvægtspartikler skal optræde, når lambda er næsten nul, skal en af ​​strengteoriens ekstra dimensioner være væsentligt større end andre - måske store nok til, at vi kan opdage dens tilstedeværelse og endda måle den. De var nået frem til den mørke dimension.

The Dark Tower

For at forstå tilblivelsen af ​​de udledte lyspartikler er vi nødt til at spole den kosmologiske historie tilbage til det første mikrosekund efter Big Bang. På dette tidspunkt var kosmos domineret af stråling - fotoner og andre partikler, der bevægede sig tæt på lysets hastighed. Disse partikler er allerede beskrevet af standardmodellen for partikelfysik, men i scenariet med mørke dimensioner kan en familie af partikler, der ikke er en del af standardmodellen, opstå, når de velkendte smadre sammen.

"I ny og næ kolliderede disse strålingspartikler med hinanden og skabte det, vi kalder 'mørke gravitoner'," sagde Georges Obied, en fysiker ved University of Oxford, der hjalp med at lave teorien om mørke gravitoner.

Normalt definerer fysikere gravitoner som masseløse partikler, der bevæger sig med lysets hastighed og formidler tyngdekraften, svarende til de masseløse fotoner, der formidler den elektromagnetiske kraft. Men i dette scenarie, som Obied forklarede, skabte disse tidlige kollisioner en anden type graviton - noget med masse. Mere end det producerede de en række forskellige gravitoner.

"Der er en masseløs graviton, som er den sædvanlige graviton, vi kender," sagde Obied. "Og så er der uendeligt mange kopier af mørke gravitoner, som alle er massive." Masserne af de postulerede mørke gravitoner er groft sagt et heltal gange en konstant, M, hvis værdi er knyttet til den kosmologiske konstant. Og der er et helt "tårn" af dem med en bred vifte af masser og energiniveauer.

For at få en fornemmelse af, hvordan alt dette kan fungere, forestil dig vores firedimensionelle verden som overfladen af ​​en kugle. Vi kan aldrig forlade den overflade - på godt og ondt - og det gælder også for hver partikel i standardmodellen.

Gravitoner kan dog gå overalt, af samme grund som tyngdekraften findes overalt. Og det er her, den mørke dimension kommer ind.

For at forestille dig den dimension, sagde Vafa, tænk på hvert punkt på den forestillede overflade af vores firedimensionelle verden og sæt en lille løkke til den. Den løkke er (i det mindste skematisk) den ekstra dimension. Hvis to Standard Model-partikler kolliderer og skaber en graviton, kan gravitonen "sive ind i den ekstradimensionelle cirkel og rejse rundt om den som en bølge," sagde Vafa. (Kvantemekanik fortæller os, at hver partikel, inklusive gravitoner og fotoner, kan opføre sig som både en partikel og en bølge - et 100 år gammelt koncept kendt som bølge-partikel dualitet.)

Når gravitoner lækker ind i den mørke dimension, kan bølgerne, de producerer, have forskellige frekvenser, der hver svarer til forskellige energiniveauer. Og disse massive gravitoner, der bevæger sig rundt i den ekstradimensionelle løkke, producerer en betydelig tyngdekraftpåvirkning på det punkt, hvor løkken hæfter til kuglen.

"Måske er dette det mørke stof?" Vafa tænkte. De gravitoner, de havde opdigtet, var trods alt svagt samvirkende, men alligevel i stand til at mønstre noget gravitationskraft. En fordel ved ideen, bemærkede han, er, at gravitoner har været en del af fysikken i 90 år, efter først at være blevet foreslået som bærere af gravitationskraften. (Gravitoner, det skal bemærkes, er hypotetiske partikler og er ikke blevet direkte detekteret.) For at forklare mørkt stof, "behøver vi ikke at introducere en ny partikel," sagde han.

Gravitoner, der kan lække ind i det ekstradimensionelle domæne, er "naturlige kandidater til mørkt stof," sagde Georgi Dvali, direktør for Max Planck Institute for Physics, som ikke arbejder direkte på ideen om den mørke dimension.

En stor dimension som den anbragte mørke dimension ville have plads til lange bølgelængder, hvilket indebærer lavfrekvente, lavenergi- og lavmassepartikler. Men hvis en mørk graviton sivede ind i en af ​​strengteoriens små dimensioner, ville dens bølgelængde være meget kort og dens masse og energi meget høj. Supermassive partikler som denne ville være ustabile og meget kortlivede. De "ville være for længst væk," sagde Dvali, "uden at have muligheden for at tjene som mørkt stof i det nuværende univers."

Tyngdekraften og dens bærer, gravitoner, gennemsyrer alle strengteoriens dimensioner. Men den mørke dimension er så meget større - i mange størrelsesordener - end de andre ekstra dimensioner, at tyngdekraften ville blive fortyndet, hvilket får den til at virke svag i vores firedimensionelle verden, hvis den sivede mærkbart ind i den mere rummelige mørke dimension. . "Dette forklarer den ekstraordinære forskel [i styrke] mellem tyngdekraften og de andre kræfter," sagde Dvali og bemærkede, at den samme effekt ville blive set i andre ekstradimensionelle scenarier.

I betragtning af at scenariet med mørke dimensioner kan forudsige ting som mørkt stof, kan det sættes på en empirisk test. "Hvis jeg giver dig en sammenhæng, du aldrig kan teste, kan du aldrig bevise, at jeg tager fejl," sagde Valenzuela, en medforfatter af originalt mørkt dimensionspapir. "Det er meget mere interessant at forudsige noget, som du faktisk kan bevise eller modbevise."

Mørkets gåder

Astronomer har vidst, at mørkt stof eksisterede - i det mindste i en eller anden form - siden 1978, hvor astronomen Vera Rubin konstaterede, at galakser roterede så hurtigt, at stjerner på deres yderste udkant ville blive kastet ud i det fjerne, hvis det ikke var for store reservoirer af nogle usete stof, der holder dem tilbage. Det har imidlertid vist sig meget vanskeligt at identificere dette stof. På trods af næsten 40 års eksperimentelle bestræbelser på at opdage mørkt stof, er der ikke fundet en sådan partikel.

Hvis mørkt stof viser sig at være mørke gravitoner, som er ekstremt svagt interagerende, sagde Vafa, vil det ikke ændre sig. "De vil aldrig blive fundet direkte."

Men der kan være muligheder for indirekte at få øje på signaturerne af disse gravitoner.

En strategi, som Vafa og hans samarbejdspartnere følger, trækker på storstilede kosmologiske undersøgelser, der kortlægger fordelingen af ​​galakser og stof. I disse distributioner kan der være "små forskelle i klyngeadfærd," sagde Obied, der ville signalere tilstedeværelsen af ​​mørke gravitoner.

Når tungere mørke gravitoner henfalder, producerer de et par lysere mørke gravitoner med en kombineret masse, der er lidt mindre end deres moderpartikel. Den manglende masse omdannes til kinetisk energi (i overensstemmelse med Einsteins formel, E = mc²), hvilket giver de nyoprettede gravitoner lidt af et løft - en "sparkhastighed", der anslås at være omkring en ti tusindedel af lysets hastighed.

Disse kick-hastigheder kan til gengæld påvirke, hvordan galakser dannes. Ifølge den standard kosmologiske model starter galakser med en stofklump, hvis tyngdekraft tiltrækker mere stof. Men gravitoner med en tilstrækkelig kickhastighed kan undslippe dette gravitationsgreb. Hvis de gør det, vil den resulterende galakse være lidt mindre massiv end den kosmologiske standardmodel forudsiger. Astronomer kan se efter denne forskel.

Nylige observationer af kosmisk struktur fra Kilo-Degree Survey er indtil videre i overensstemmelse med den mørke dimension: En analyse af data fra den undersøgelse anbragt en øvre grænse på sparkehastigheden, der var meget tæt på værdien forudsagt af Obied og hans medforfattere. En mere stringent test vil komme fra Euclid-rumteleskopet, som blev opsendt i juli sidste år.

I mellemtiden planlægger fysikere også at teste ideen om mørke dimensioner i laboratoriet. Hvis tyngdekraften lækker ind i en mørk dimension, der måler 1 mikron på tværs, kunne man i princippet se efter eventuelle afvigelser fra den forventede tyngdekraft mellem to objekter adskilt af den samme afstand. Det er ikke et let eksperiment at udføre, sagde Armin Shayeghi, en fysiker ved det østrigske videnskabsakademi, der udfører testen. Men "der er en simpel grund til, hvorfor vi er nødt til at udføre dette eksperiment," tilføjede han: Vi ved ikke, hvordan tyngdekraften opfører sig på så tætte afstande, før vi ser.

nærmeste måling til dato — udført i 2020 ved University of Washington — involverede en 52-mikron adskillelse mellem to testorganer. Den østrigske gruppe håber på i sidste ende at nå det 1-mikron-område, der er forudsagt for den mørke dimension.

Mens fysikere finder forslag til mørke dimensioner spændende, er nogle skeptiske over, at det vil lykkes. "At søge efter ekstra dimensioner gennem mere præcise eksperimenter er en meget interessant ting at gøre," sagde Juan Maldacena, en fysiker ved Institute for Advanced Study, "selvom jeg tror, ​​at sandsynligheden for at finde dem er lav."

Joseph Conlon, en fysiker ved Oxford, deler denne skepsis: "Der er mange ideer, som ville være vigtige, hvis de er sande, men som sandsynligvis ikke er det. Dette er en af ​​dem. Formodningerne, det er baseret på, er noget ambitiøse, og jeg synes, at de nuværende beviser for dem er ret svage."

Naturligvis kan vægten af ​​beviser ændre sig, og det er derfor, vi laver eksperimenter i første omgang. Forslaget om mørke dimensioner, hvis det understøttes af kommende tests, har potentialet til at bringe os tættere på at forstå, hvad mørkt stof er, hvordan det er forbundet med både mørk energi og tyngdekraft, og hvorfor tyngdekraften virker svag sammenlignet med de andre kendte kræfter. "Teoretikere forsøger altid at gøre dette 'sammenbinding'. Den mørke dimension er en af ​​de mest lovende ideer, jeg har hørt i denne retning,” sagde Gopakumar.

Men i en ironisk drejning er den ene ting, hypotesen om den mørke dimension ikke kan forklare, hvorfor den kosmologiske konstant er så svimlende lille - en forvirrende kendsgerning, der i det væsentlige startede hele denne undersøgelseslinje. "Det er rigtigt, at dette program ikke forklarer det faktum," indrømmede Vafa. "Men det, vi kan sige, ud fra dette scenarie, er, at hvis lambda er lille - og du præciserer konsekvenserne af det - kan en hel række fantastiske ting falde på plads."