ב'מימד אפל', פיזיקאים מחפשים חומר חסר | מגזין קוונטה

כשזה מגיע להבנת מרקם היקום, רוב מה שמדענים חושבים שקיים נשלח לתחום אפל ועכור. חומר רגיל, החומר שאנו יכולים לראות ולגעת, מהווה רק 5% מהקוסמוס. השאר, אומרים קוסמולוגים, הם אנרגיה אפלה וחומר אפל, חומרים מסתוריים שמסומנים "אפל" בחלקו כדי לשקף את הבורות שלנו לגבי הטבע האמיתי שלהם.

אף על פי ששום רעיון לא יסביר את כל מה שאנו מקווים לדעת על הקוסמוס, רעיון שהוצג לפני שנתיים יכול לענות על כמה שאלות גדולות. התקשר ל תרחיש מימד אפל, הוא מציע מתכון ספציפי לחומר אפל, והוא מציע קשר אינטימי בין חומר אפל לאנרגיה אפלה. התרחיש עשוי גם לספר לנו מדוע כוח המשיכה - המפסל את היקום בקנה מידה הגדול ביותר - חלש כל כך בהשוואה לכוחות האחרים.

התרחיש מציע ממד שעדיין לא נראה, שחי בתוך התחום המורכב ממילא של תורת המיתרים, המנסה לאחד את מכניקת הקוונטים ואת תורת הכבידה של איינשטיין. בנוסף לארבעת הממדים המוכרים - שלושה ממדים מרחביים גדולים לאין שיעור ועוד אחד של זמן - תורת המיתרים מציעה שיש שישה ממדים מרחביים זעירים במיוחד.

ביקום של הממד האפל, אחד מהממדים הנוספים הללו גדול משמעותית מהאחרים. במקום להיות קטן פי 100 מיליון טריליון מקוטר של פרוטון, הוא מודד כמיקרון אחד בקוטר - דקה בסטנדרטים יומיומיים, אבל עצום בהשוואה לאחרים. חלקיקים עצומים הנושאים את כוח הכבידה נוצרים בתוך הממד האפל הזה, והם מהווים את החומר האפל שלדעת מדענים מהווה כ-1% מהיקום שלנו ויוצר את הדבק שמחזיק את הגלקסיות יחד. (ההערכות הנוכחיות טוענות ש-25% הנותרים מורכבים מאנרגיה אפלה, שמניעה את התפשטות היקום.)

התרחיש "מאפשר לנו ליצור קשרים בין תורת המיתרים, כוח הכבידה הקוונטית, פיזיקת החלקיקים והקוסמולוגיה, [תוך כדי] התייחסות לכמה מהתעלומות הקשורות אליהם", אמר. איגנטיוס אנטוניאדיס, פיזיקאי באוניברסיטת סורבון אשר חוקר באופן פעיל את הצעת הממד האפל.

למרות שעדיין אין ראיות לכך שהמימד האפל קיים, התרחיש עושה תחזיות ניתנות לבדיקה הן לתצפיות קוסמולוגיות והן לפיזיקה שולחנית. זה אומר שאולי לא נצטרך לחכות זמן רב כדי לראות אם ההשערה תעמוד בבדיקה אמפירית - או תידחק לרשימת הרעיונות המגרים שמעולם לא מילאו את הבטחתם המקורית.

"המימד האפל שנחזה כאן," אמר הפיזיקאי ראג'ש גופאקומאר, מנהל המרכז הבינלאומי למדעים תיאורטיים בבנגלורו, יש "הסגולה להיות פוטנציאלית לשלול די בקלות ככל שהניסויים הקרובים מתחדדים".

גילוי הממד האפל

הממד האפל נוצר בהשראת תעלומה ארוכת שנים הנוגעת לקבוע הקוסמולוגי - מונח, שנועד על ידי האות היוונית למבדה, שאלברט איינשטיין הכניס למשוואות הכבידה שלו ב-1917. מאמינים ביקום סטטי, כמו רבים מעמיתיו. , איינשטיין הוסיף את המונח כדי למנוע מהמשוואות לתאר יקום מתרחב. אבל בשנות ה-1920, אסטרונומים גילו שהיקום אכן מתנפח, ובשנת 1998 הם הבחינו שהוא גדל בקליפ מואץ, המונע על ידי מה שמכונה כיום אנרגיה אפלה - שניתן לסמן במשוואות גם בלמבדה.

מאז, מדענים נאבקו עם מאפיין בולט אחד של הלמבדה: הערך המוערך שלה הוא 10^-122 ביחידות פלאנק הוא "הפרמטר הנמדד הקטן ביותר בפיזיקה", אמר קומרון ואפה, פיזיקאי באוניברסיטת הרווארד. בשנת 2022, תוך התחשבות בקטנות הכמעט בלתי נתפסת עם שני חברי צוות המחקר שלו - מיגל מונטרו, כעת במכון לפיזיקה תיאורטית של מדריד, ו איירין ולנצואלה, כרגע ב-CERN - ל-Vafa הייתה תובנה: למבדה זעירה כזו היא פרמטר קיצוני באמת, כלומר ניתן לשקול אותה במסגרת העבודה הקודמת של Vafa בתורת המיתרים.

קודם לכן, הוא ואחרים ניסחו השערה שמסבירה מה קורה כאשר פרמטר פיזי חשוב מקבל ערך קיצוני. המכונה השערת מרחק, היא מתייחסת ל"מרחק" במובן מופשט: כאשר פרמטר נע לעבר קצה האפשריות המרוחק, ובכך מניח ערך קיצוני, יהיו השלכות על שאר הפרמטרים.

לפיכך, במשוואות תורת המיתרים, ערכי מפתח - כגון מסות חלקיקים, למבדה או קבועי הצימוד המכתיבים את חוזק האינטראקציות - אינם קבועים. שינוי אחד ישפיע בהכרח על האחרים.

לדוגמה, למבדה קטנה במיוחד, כפי שנצפתה, צריכה להיות מלווה בחלקיקים הרבה יותר קלים, בעלי אינטראקציה חלשה עם מסות הקשורות ישירות לערכה של הלמבדה. "מה הם יכולים להיות?" תהה ואפה.

כאשר הוא ועמיתיו הרהרו בשאלה זו, הם הבינו שהשערת המרחק ותורת המיתרים יחדיו כדי לספק עוד תובנה מרכזית אחת: כדי שחלקיקים קלים אלו יופיעו כאשר הלמבדה כמעט אפס, אחד מהממדים הנוספים של תורת המיתרים חייב להיות גדול משמעותית מ- אחרים - אולי גדולים מספיק כדי שנוכל לזהות את נוכחותו ואפילו למדוד אותה. הם הגיעו למימד האפל.

המגדל האפל

כדי להבין את יצירתם של חלקיקי האור המשוערים, עלינו להחזיר את ההיסטוריה הקוסמולוגית למיקרו-שנייה הראשונה שלאחר המפץ הגדול. בשלב זה, הקוסמוס נשלט על ידי קרינה - פוטונים וחלקיקים אחרים שנעו קרוב למהירות האור. חלקיקים אלה כבר מתוארים על ידי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, אך בתרחיש הממד האפל, משפחה של חלקיקים שאינם חלק מהמודל הסטנדרטי יכולה להופיע כאשר המוכרים מתנפצים יחד.

"מדי פעם, חלקיקי הקרינה הללו התנגשו זה בזה, ויצרו את מה שאנו מכנים 'גרביטונים אפלים'", אמר ז'ורז' אובייד, פיזיקאי באוניברסיטת אוקספורד שעזר במלאכה התיאוריה של גרביטונים כהים.

בדרך כלל, פיזיקאים מגדירים גרביטונים כחלקיקים חסרי מסה שנעים במהירות האור ומעבירים את כוח הכבידה, בדומה לפוטונים חסרי המסה המעבירים את הכוח האלקטרומגנטי. אבל בתרחיש הזה, כפי שהסביר אובייד, ההתנגשויות המוקדמות הללו יצרו סוג אחר של כבידה - משהו עם מסה. יותר מזה, הם ייצרו מגוון של גרביטונים שונים.

"יש כבידה אחת חסרת מסה, שזה הכבידה הרגילה שאנו מכירים", אמר אובייד. "ואז יש אינסוף עותקים של גרביטונים כהים, כולם מסיביים." המסות של הגרביטונים האפלים הנחשבים הם, באופן גס, מספר שלם כפול קבוע, M, שערכו קשור בקבוע הקוסמולוגי. ויש "מגדל" שלם מהם עם מגוון רחב של מסות ורמות אנרגיה.

כדי לקבל תחושה של איך כל זה עשוי לעבוד, דמיינו את העולם הארבע-מימדי שלנו כמשטח של כדור. אנחנו לא יכולים לעזוב את המשטח הזה, לעולם - לטוב ולרע - וזה נכון גם לכל חלקיק במודל הסטנדרטי.

עם זאת, גרביטונים יכולים ללכת לכל מקום, מאותה סיבה שכוח הכבידה קיים בכל מקום. וכאן נכנס המימד האפל.

כדי לתאר את הממד הזה, אמר ופא, חשבו על כל נקודה על פני השטח המדומיינים של העולם הארבע-מימדי שלנו וצרפו אליה לולאה קטנה. הלולאה הזו היא (לפחות באופן סכמטי) המימד הנוסף. אם שני חלקיקי דגם סטנדרטי מתנגשים ויוצרים גרביטון, הגרוויטון "יכול לדלוף לתוך המעגל החוץ-ממדי הזה ולנוע סביבו כמו גל", אמר ופא. (מכניקת הקוונטים אומרת לנו שכל חלקיק, כולל גרביטונים ופוטונים, יכול להתנהג גם כמו חלקיק וגם כמו גל - מושג בן 100 שנה המכונה דואליות גל חלקיקי.)

כאשר גרביטונים דולפים לממד האפל, לגלים שהם מייצרים יכולים להיות תדרים שונים, כל אחד מתאים לרמות אנרגיה שונות. ואותם גרביטונים מסיביים, הנעים סביב הלולאה החוץ-ממדית, מייצרים השפעה כבידה משמעותית בנקודה שבה הלולאה מתחברת לכדור.

"אולי זה החומר האפל?" ופא הרהר. הגרביטונים שהם רקחו היו, אחרי הכל, היו בעלי אינטראקציה חלשה ועם זאת מסוגלים לגייס כוח כבידה כלשהו. אחד היתרונות של הרעיון, הוא ציין, הוא שגרביטונים היו חלק מהפיסיקה במשך 90 שנה, לאחר שהוצעו לראשונה כנשאים של כוח הכבידה. (יש לציין, גרוויטונים הם חלקיקים היפותטיים, ולא זוהו ישירות.) כדי להסביר חומר אפל, "אנחנו לא צריכים להציג חלקיק חדש", אמר.

גרביטונים שיכולים לדלוף לתחום החוץ-ממדי הם "מועמדים טבעיים לחומר אפל", אמרו גאורגי דבלי, מנהל מכון מקס פלנק לפיזיקה, שאינו עובד ישירות על רעיון הממד האפל.

לממד גדול כמו הממד הכהה הממוקם יהיה מקום לאורכי גל ארוכים, אשר מרמזים על חלקיקים בעלי תדר נמוך, אנרגיה נמוכה ומסה נמוכה. אבל אם גרביטון אפל ידלוף לתוך אחד מהממדים הזעירים של תורת המיתרים, אורך הגל שלו יהיה קצר במיוחד והמסה והאנרגיה שלו גבוהים מאוד. חלקיקים סופר מסיביים כמו זה יהיו לא יציבים ובעלי חיים קצרים מאוד. הם "יהיו נעלמו מזמן", אמר דבלי, "מבלי שתהיה להם אפשרות לשמש כחומר אפל ביקום הנוכחי".

כוח הכבידה והנשא שלו, הגרביטונים, חודרים לכל מימדי תורת המיתרים. אבל הממד האפל כל כך גדול - בסדרי גודל רבים - משאר הממדים הנוספים שעוצמת הכבידה הייתה מדוללת, מה שגורם לו להיראות חלש בעולם הארבע-מימדי שלנו, אילו היה מחלחלת במידה ניכרת אל הממד האפל המרווח יותר. . "זה מסביר את ההבדל [בחוזק] יוצא הדופן בין כוח הכבידה לכוחות האחרים", אמר דבלי, וציין כי אותה השפעה תיראה ב תרחישים חוץ ממדיים אחרים.

בהתחשב בכך שתרחיש הממד האפל יכול לחזות דברים כמו חומר אפל, ניתן להעמיד אותו למבחן אמפירי. "אם אני אתן לך מתאם שלעולם לא תוכל לבדוק, לעולם לא תוכל להוכיח שאני טועה", אמר ולנצואלה, מחבר שותף ב- נייר מימד כהה מקורי. "הרבה יותר מעניין לחזות משהו שאתה באמת יכול להוכיח או להפריך."

חידות החושך

אסטרונומים ידעו שחומר אפל קיים - לפחות בצורה כלשהי - מאז 1978, כאשר האסטרונומית ורה רובין קבעה שגלקסיות מסתובבות כל כך מהר עד שכוכבים בשוליים החיצוניים ביותר שלהן יופלו למרחוק אלמלא מאגרים עצומים של חלק בלתי נראים החומר מעכב אותם. עם זאת, זיהוי החומר הזה הוכיח את עצמו כקשה מאוד. למרות כמעט 40 שנות מאמצים ניסיוניים לאיתור חומר אפל, חלקיק כזה לא נמצא.

אם חומר אפל יתברר כגרביטונים אפלים, שמקיימים אינטראקציה חלשה ביותר, אמר ואפה, זה לא ישתנה. "הם לעולם לא יימצאו ישירות."

אבל עשויות להיות הזדמנויות לזהות בעקיפין את החתימות של אותם גרביטונים.

אסטרטגיה אחת שאפה ומשתפי הפעולה שלו נוקטים בה נשענת על סקרים קוסמולוגיים רחבי היקף המתארים את התפלגות הגלקסיות והחומר. בהתפלגויות אלה, עשויים להיות "הבדלים קטנים בהתנהגות מקבץ", אמר אובייד, שיאותת על נוכחותם של גרביטונים כהים.

כאשר גרביטונים כהים כבדים מתפרקים, הם מייצרים זוג גרביטונים כהים בהירים יותר עם מסה משולבת שהיא מעט פחות מזו של חלקיק האב שלהם. המסה החסרה מומרת לאנרגיה קינטית (בהתאם לנוסחה של איינשטיין, E = mc²), מה שנותן לגרביטונים החדשים שנוצרו קצת דחיפה - "מהירות בעיטה" המוערכת בכ-1000 ממהירות האור.

מהירויות הבעיטה הללו, בתורן, יכולות להשפיע על אופן היווצרות הגלקסיות. לפי המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי, גלקסיות מתחילות עם גוש חומר שהמשיכה הכבידה שלו מושכת יותר חומר. אבל גרביטונים בעלי מהירות בעיטה מספקת יכולים להימלט מאחיזת הכבידה הזו. אם כן, הגלקסיה שתתקבל תהיה מעט פחות מאסיבית ממה שחוזה המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי. אסטרונומים יכולים לחפש את ההבדל הזה.

תצפיות עדכניות של מבנה קוסמי מסקר קילו-מעלות תואמות עד כה את הממד האפל: ניתוח נתונים מאותו סקר הציב גבול עליון על מהירות הבעיטה שהיתה קרובה מאוד לערך שחזו על ידי Obied ושותפיו. בדיקה מחמירה יותר תגיע מטלסקופ החלל אוקלידס, ששוגר ביולי האחרון.

בינתיים, פיזיקאים מתכננים גם לבדוק את רעיון הממד האפל במעבדה. אם כוח הכבידה דולף לממד אפל שגודלו מיקרון אחד לרוחבו, ניתן, באופן עקרוני, לחפש סטיות כלשהן מכוח הכבידה הצפוי בין שני עצמים המופרדים באותו מרחק. זה לא ניסוי קל לביצוע, אמר ארמין שיגי, פיזיקאי באקדמיה האוסטרית למדעים שעורך את הבדיקה. אבל "יש סיבה פשוטה למה אנחנו צריכים לעשות את הניסוי הזה," הוא הוסיף: לא נדע כיצד כוח הכבידה מתנהג במרחקים כה קרובים עד שנסתכל.

השמיים המדידה הקרובה ביותר עד כה - שבוצע בשנת 2020 באוניברסיטת וושינגטון - כלל הפרדה של 52 מיקרון בין שני גופי בדיקה. הקבוצה האוסטרית מקווה להגיע בסופו של דבר לטווח של 1 מיקרון החזוי עבור המימד האפל.

בעוד שהפיזיקאים מוצאים את הצעת המימד האפל מסקרנת, חלקם ספקנים שזה יצליח. "חיפוש אחר מימדים נוספים באמצעות ניסויים מדויקים יותר הוא דבר מאוד מעניין לעשות," אמר חואן מלדצ'נה, פיזיקאי במכון למחקר מתקדם, "אם כי אני חושב שהסבירות למצוא אותם נמוכה."

ג'וזף קונלון, פיזיקאי מאוקספורד, חולק את הספקנות הזו: "יש הרבה רעיונות שהיו חשובים אם הם נכונים, אבל הם כנראה לא. זה אחד מהם. ההשערות שעליהן הוא מבוסס שאפתניות משהו, ואני חושב שהראיות הנוכחיות לגביהן די חלשות".

כמובן, משקל הראיות יכול להשתנות, וזו הסיבה שאנחנו עושים ניסויים מלכתחילה. להצעת הממד האפל, אם נתמכת על ידי בדיקות עתידיות, יש פוטנציאל לקרב אותנו להבנה מהו חומר אפל, כיצד הוא קשור לאנרגיה אפלה ולכוח הכבידה, ומדוע כוח הכבידה נראה חלש בהשוואה לשאר הכוחות הידועים. "תיאורטיקנים תמיד מנסים לעשות את זה 'קשירה ביחד'. הממד האפל הוא אחד הרעיונות המבטיחים ביותר ששמעתי בכיוון הזה", אמר גופאקומאר.

אבל בתפנית אירונית, הדבר היחיד שהשערת המימד האפל לא יכולה להסביר הוא מדוע הקבוע הקוסמולוגי קטן כל כך - עובדה תמוהה שבעצם יזמה את כל קו החקירה הזה. "זה נכון שהתוכנית הזו לא מסבירה את העובדה הזו", הודה ואפה. "אבל מה שאנחנו יכולים לומר, בהסתמך על התרחיש הזה, הוא שאם הלמבדה קטנה - ואתה מפרט את ההשלכות של זה - אוסף שלם של דברים מדהימים עלול ליפול על מקומם."