In een 'donkere dimensie' zoeken natuurkundigen naar ontbrekende materie | Quanta-tijdschrift

Als het gaat om het begrijpen van de structuur van het universum, wordt het meeste van wat wetenschappers denken dat er bestaat, verwezen naar een donker, duister domein. Gewone materie, de dingen die we kunnen zien en aanraken, vertegenwoordigen slechts 5% van de kosmos. De rest, zeggen kosmologen, is donkere energie en donkere materie, mysterieuze substanties die deels als ‘donker’ worden bestempeld om onze onwetendheid over hun ware aard te weerspiegelen.

Hoewel geen enkel idee waarschijnlijk alles zal verklaren wat we hopen te weten over de kosmos, zou een idee dat twee jaar geleden werd geïntroduceerd een aantal grote vragen kunnen beantwoorden. Genaamd de scenario met donkere dimensiesbiedt het een specifiek recept voor donkere materie, en suggereert het een nauw verband tussen donkere materie en donkere energie. Het scenario zou ons ook kunnen vertellen waarom de zwaartekracht – die het universum op de grootste schaal vormgeeft – zo zwak is vergeleken met de andere krachten.

Het scenario stelt een tot nu toe onzichtbare dimensie voor die leeft binnen het toch al complexe domein van de snaartheorie, die probeert de kwantummechanica en Einsteins zwaartekrachttheorie te verenigen. Naast de vier bekende dimensies – drie oneindig grote ruimtelijke dimensies plus één van de tijd – suggereert de snaartheorie dat er zes buitengewoon kleine ruimtelijke dimensies zijn.

In het universum van de donkere dimensie is een van die extra dimensies aanzienlijk groter dan de andere. In plaats van 100 miljoen biljoen keer kleiner te zijn dan de diameter van een proton, meet het ongeveer 1 micron in doorsnede – een minuut volgens alledaagse normen, maar enorm vergeleken met de andere. Binnen deze donkere dimensie worden enorme deeltjes gegenereerd die de zwaartekracht overbrengen, en zij vormen de donkere materie waarvan wetenschappers denken dat deze ongeveer 25% van ons universum omvat en de lijm vormt die sterrenstelsels bij elkaar houdt. (Volgens de huidige schattingen bestaat de resterende 70% uit donkere energie, die de uitdijing van het heelal aanstuurt.)

Het scenario “stelt ons in staat verbanden te leggen tussen de snaartheorie, de kwantumzwaartekracht, de deeltjesfysica en de kosmologie, terwijl we enkele van de mysteries die daarmee verband houden aanpakken”, zegt Ignatius Antoniadis, een natuurkundige aan de Sorbonne Universiteit die actief onderzoek doet naar het voorstel voor een donkere dimensie.

Hoewel er nog geen bewijs is dat de donkere dimensie bestaat, doet het scenario wel toetsbare voorspellingen voor zowel kosmologische waarnemingen als tafelbladfysica. Dat betekent dat we misschien niet lang hoeven te wachten om te zien of de hypothese stand zal houden onder empirisch onderzoek – of zal worden gedegradeerd naar de lijst van verleidelijke ideeën die nooit hun oorspronkelijke belofte hebben waargemaakt.

“De donkere dimensie die we hier voor ogen hebben”, zei de natuurkundige Rajesh Gopakumar, directeur van het International Centre for Theoretical Sciences in Bengaluru, heeft “de verdienste dat hij potentieel vrij gemakkelijk kan worden uitgesloten naarmate komende experimenten scherper worden.”

Het voorspellen van de donkere dimensie

De donkere dimensie is geïnspireerd door een al lang bestaand mysterie over de kosmologische constante – een term, aangeduid met de Griekse letter lambda, die Albert Einstein in 1917 in zijn zwaartekrachtvergelijkingen introduceerde. Geloven in een statisch universum, net als veel van zijn collega’s , voegde Einstein de term toe om te voorkomen dat de vergelijkingen een uitdijend heelal beschrijven. Maar in de jaren twintig ontdekten astronomen dat het heelal inderdaad uitdijt, en in 1920 namen ze waar dat het met een versnelde snelheid groeit, voortgestuwd door wat nu gewoonlijk donkere energie wordt genoemd – die in vergelijkingen ook kan worden aangeduid met lambda.

Sindsdien hebben wetenschappers geworsteld met één opvallend kenmerk van lambda: de geschatte waarde van 10^-122 in Planck-eenheden is “de kleinste gemeten parameter in de natuurkunde”, zei Cumrun Vafa, een natuurkundige aan de Harvard Universiteit. In 2022, terwijl hij de bijna ondoorgrondelijke kleinheid van twee leden van zijn onderzoeksteam in ogenschouw nam – Miguel Montero, nu aan het Madrid Instituut voor Theoretische Fysica, en Irene Valenzuela, momenteel bij CERN - Vafa had een inzicht: zo'n minuscule lambda is een werkelijk extreme parameter, wat betekent dat hij kan worden beschouwd binnen het raamwerk van Vafa's eerdere werk op het gebied van de snaartheorie.

Eerder hadden hij en anderen een vermoeden geformuleerd dat verklaart wat er gebeurt als een belangrijke fysieke parameter een extreme waarde aanneemt. Dit wordt het afstandsvermoeden genoemd en verwijst naar ‘afstand’ in abstracte zin: wanneer een parameter zich naar de verre rand van de mogelijkheid beweegt en daarbij een extreme waarde aanneemt, zullen er gevolgen zijn voor de andere parameters.

In de vergelijkingen van de snaartheorie liggen sleutelwaarden – zoals deeltjesmassa's, lambda of de koppelingsconstanten die de sterkte van interacties bepalen – dus niet vast. Het veranderen van de ene heeft onvermijdelijk gevolgen voor de andere.

Een buitengewoon kleine lambda zou bijvoorbeeld, zoals is waargenomen, vergezeld moeten gaan van veel lichtere, zwak interacterende deeltjes met massa's die rechtstreeks verband houden met de waarde van lambda. "Wat zouden ze kunnen zijn?" vroeg Vafa zich af.

Terwijl hij en zijn collega's over die vraag nadachten, realiseerden ze zich dat het afstandsvermoeden en de snaartheorie gecombineerd nog een belangrijk inzicht opleverden: om deze lichtgewicht deeltjes te laten verschijnen wanneer lambda bijna nul is, moet een van de extra dimensies van de snaartheorie aanzienlijk groter zijn dan de anderen – misschien groot genoeg om de aanwezigheid ervan te detecteren en zelfs te meten. Ze waren in de donkere dimensie aangekomen.

The Dark Tower

Om de ontstaansgeschiedenis van de afgeleide lichtdeeltjes te begrijpen, moeten we de kosmologische geschiedenis terugspoelen tot de eerste microseconde na de oerknal. Op dat moment werd de kosmos gedomineerd door straling: fotonen en andere deeltjes die zich dichtbij de snelheid van het licht bewogen. Deze deeltjes worden al beschreven door het Standaardmodel van de deeltjesfysica, maar in het donkere dimensiescenario kan een familie van deeltjes ontstaan ​​die geen deel uitmaken van het Standaardmodel wanneer de bekende tegen elkaar botsen.

“Af en toe botsten deze stralingsdeeltjes met elkaar, waardoor zogenaamde ‘donkere gravitonen’ ontstonden”, zegt Georges gehoorzaamde, een natuurkundige aan de Universiteit van Oxford die hielp bij het ambacht de theorie van donkere gravitonen.

Normaal gesproken definiëren natuurkundigen gravitonen als massaloze deeltjes die met de snelheid van het licht reizen en de zwaartekracht overbrengen, vergelijkbaar met de massaloze fotonen die de elektromagnetische kracht overbrengen. Maar in dit scenario creëerden deze vroege botsingen, zoals Obied uitlegde, een ander type graviton: iets met massa. Bovendien produceerden ze een reeks verschillende gravitonen.

“Er is één massaloos graviton, het gebruikelijke graviton dat we kennen,” zei Obied. ‘En dan zijn er oneindig veel kopieën van donkere gravitonen, die allemaal enorm zijn.’ De massa's van de gepostuleerde donkere gravitonen zijn grofweg een geheel getal maal een constante, M, waarvan de waarde gebonden is aan de kosmologische constante. En er is een hele “toren” met een breed scala aan massa's en energieniveaus.

Om een ​​idee te krijgen van hoe dit allemaal zou kunnen werken, stel je onze vierdimensionale wereld voor als het oppervlak van een bol. We kunnen dat oppervlak nooit verlaten – ten goede of ten kwade – en dat geldt ook voor elk deeltje in het Standaardmodel.

Gravitonen kunnen echter overal heen gaan, om dezelfde reden dat zwaartekracht overal bestaat. En dat is waar de donkere dimensie om de hoek komt kijken.

Om die dimensie voor te stellen, zei Vafa, moet je aan elk punt op het denkbeeldige oppervlak van onze vierdimensionale wereld denken en er een kleine lus aan vastmaken. Die lus is (althans schematisch) de extra dimensie. Als twee Standaardmodeldeeltjes botsen en een graviton creëren, kan het graviton “in die extra-dimensionale cirkel lekken en er als een golf omheen reizen”, zei Vafa. (De kwantummechanica vertelt ons dat elk deeltje, inclusief gravitonen en fotonen, zich zowel als deeltje als als golf kan gedragen – een 100 jaar oud concept dat bekend staat als golf-deeltje dualiteit.)

Terwijl gravitonen de donkere dimensie binnenlekken, kunnen de golven die ze produceren verschillende frequenties hebben, die elk overeenkomen met verschillende energieniveaus. En die enorme gravitonen, die rond de extra-dimensionale lus reizen, produceren een aanzienlijke zwaartekrachtinvloed op het punt waar de lus zich aan de bol hecht.

‘Misschien is dit de donkere materie?’ dacht Vafa. De gravitonen die ze hadden bedacht, werkten immers zwak op elkaar in, maar waren toch in staat een zekere zwaartekracht te ontwikkelen. Eén verdienste van het idee, zo merkte hij op, is dat gravitonen al negentig jaar deel uitmaken van de natuurkunde, nadat ze voor het eerst waren voorgesteld als dragers van de zwaartekracht. (Opgemerkt moet worden dat Gravitonen hypothetische deeltjes zijn en niet rechtstreeks zijn gedetecteerd.) Om donkere materie te verklaren, "hoeven we geen nieuw deeltje te introduceren", zei hij.

Gravitonen die naar het extra-dimensionale domein kunnen lekken, zijn “natuurlijke kandidaten voor donkere materie”, aldus de onderzoekers Georgi Dvali, directeur van het Max Planck Instituut voor Natuurkunde, die niet rechtstreeks aan het idee van de donkere dimensie werkt.

Een grote dimensie zoals de geponeerde donkere dimensie zou ruimte hebben voor lange golflengten, wat laagfrequente, energiezuinige en lage massadeeltjes impliceert. Maar als een donker graviton naar een van de kleine dimensies van de snaartheorie zou lekken, zou de golflengte ervan buitengewoon kort zijn en de massa en energie zeer hoog. Supermassieve deeltjes zoals deze zouden onstabiel zijn en een zeer korte levensduur hebben. Ze ‘zouden al lang verdwenen zijn’, zei Dvali, ‘zonder de mogelijkheid te hebben om als donkere materie te dienen in het huidige universum.’

Zwaartekracht en zijn drager, gravitonen, doordringen alle dimensies van de snaartheorie. Maar de donkere dimensie is zoveel groter – in vele ordes van grootte – dan de andere extra dimensies dat de zwaartekracht zou verwateren, waardoor deze zwak zou lijken in onze vierdimensionale wereld, als deze merkbaar in de ruimere donkere dimensie zou sijpelen. . “Dit verklaart het buitengewone verschil [in sterkte] tussen de zwaartekracht en de andere krachten,” zei Dvali, en merkte op dat hetzelfde effect zou worden waargenomen bij andere extra-dimensionale scenario's.

Gegeven dat het donkere dimensiescenario zaken als donkere materie kan voorspellen, kan het aan een empirische test worden onderworpen. “Als ik je een verband geef dat je nooit kunt testen, kun je nooit bewijzen dat ik ongelijk heb”, zegt Valenzuela, co-auteur van het boek origineel donker dimensiepapier. “Het is veel interessanter om iets te voorspellen dat je daadwerkelijk kunt bewijzen of weerleggen.”

Raadsels van het donker

Astronomen wisten al dat er donkere materie bestond – althans in een of andere vorm – sinds 1978, toen astronoom Vera Rubin vaststelde dat sterrenstelsels zo snel ronddraaiden dat sterren aan hun buitenste randen naar de verte zouden worden geworpen, ware het niet dat er enorme reservoirs van onzichtbare deeltjes waren. substantie die hen tegenhoudt. Het identificeren van die stof is echter erg moeilijk gebleken. Ondanks bijna veertig jaar experimentele inspanningen om donkere materie te detecteren, is een dergelijk deeltje nog niet gevonden.

Als donkere materie donkere gravitonen blijkt te zijn, die buitengewoon zwak op elkaar inwerken, zal dat volgens Vafa niet veranderen. “Ze zullen nooit direct gevonden worden.”

Maar er kunnen mogelijkheden zijn om indirect de handtekeningen van die gravitonen te ontdekken.

Eén strategie die Vafa en zijn medewerkers volgen, is gebaseerd op grootschalige kosmologische onderzoeken die de verspreiding van sterrenstelsels en materie in kaart brengen. In die verdelingen kunnen er ‘kleine verschillen in clustergedrag’ zijn, zei Obied, die zouden wijzen op de aanwezigheid van donkere gravitonen.

Wanneer zwaardere donkere gravitonen vervallen, produceren ze een paar lichtere donkere gravitonen met een gecombineerde massa die iets minder is dan die van hun ouderdeeltje. De ontbrekende massa wordt omgezet in kinetische energie (in overeenstemming met de formule van Einstein, E = mc²), wat de nieuw gecreëerde gravitonen een beetje een boost geeft – een “kicksnelheid” die naar schatting ongeveer een tienduizendste van de lichtsnelheid bedraagt.

Deze snelheden kunnen op hun beurt de vorming van sterrenstelsels beïnvloeden. Volgens het standaard kosmologische model beginnen sterrenstelsels met een klomp materie waarvan de zwaartekracht meer materie aantrekt. Maar gravitonen met een voldoende trapsnelheid kunnen aan deze zwaartekrachtgreep ontsnappen. Als ze dat doen, zal het resulterende sterrenstelsel iets minder zwaar zijn dan het standaard kosmologische model voorspelt. Astronomen kunnen naar dit verschil zoeken.

Recente waarnemingen van de kosmische structuur van de Kilo-Degree Survey komen tot nu toe overeen met de donkere dimensie: een analyse van gegevens uit dat onderzoek een bovengrens geplaatst op de trapsnelheid die heel dicht bij de door Obied en zijn co-auteurs voorspelde waarde lag. Een strengere test zal komen van de Euclid-ruimtetelescoop, die afgelopen juli werd gelanceerd.

Ondertussen zijn natuurkundigen ook van plan het idee van de donkere dimensie in het laboratorium te testen. Als de zwaartekracht lekt in een donkere dimensie met een doorsnede van 1 micron, zou je in principe kunnen zoeken naar eventuele afwijkingen van de verwachte zwaartekracht tussen twee objecten die op dezelfde afstand van elkaar gescheiden zijn. Het is geen eenvoudig experiment om uit te voeren, zei hij Armin Shayeghi, een natuurkundige aan de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen die de test uitvoert. Maar “er is een simpele reden waarom we dit experiment moeten doen,” voegde hij eraan toe: we zullen pas weten hoe de zwaartekracht zich op zulke korte afstanden gedraagt ​​als we kijken.

De dichtstbijzijnde meting tot nu toe – uitgevoerd in 2020 aan de Universiteit van Washington – omvatte een scheiding van 52 micron tussen twee testlichamen. De Oostenrijkse groep hoopt uiteindelijk het voorspelde bereik van 1 micron voor de donkere dimensie te bereiken.

Hoewel natuurkundigen het voorstel voor een donkere dimensie intrigerend vinden, zijn sommigen sceptisch over de vraag of het wel zal lukken. “Het zoeken naar extra dimensies door middel van nauwkeurigere experimenten is heel interessant om te doen”, zegt hij Juan Maldacena, een natuurkundige aan het Institute for Advanced Study, “hoewel ik denk dat de kans om ze te vinden laag is.”

Jozef Conlon, een natuurkundige uit Oxford, deelt dat scepticisme: ‘Er zijn veel ideeën die belangrijk zouden zijn als ze waar zouden zijn, maar dat zijn ze waarschijnlijk niet. Dit is er één van. De vermoedens waarop het is gebaseerd zijn enigszins ambitieus, en ik denk dat het huidige bewijs daarvoor nogal zwak is.”

Natuurlijk kan de bewijskracht veranderen, en daarom doen we in de eerste plaats experimenten. Het voorstel voor een donkere dimensie heeft, indien ondersteund door komende tests, het potentieel om ons dichter bij het begrip te brengen van wat donkere materie is, hoe deze verbonden is met zowel donkere energie als zwaartekracht, en waarom de zwaartekracht zwak lijkt vergeleken met de andere bekende krachten. “Theoretici proberen altijd dit 'samenbinden' te bewerkstelligen. De donkere dimensie is een van de meest veelbelovende ideeën die ik in deze richting heb gehoord”, zei Gopakumar.

Maar ironisch genoeg is het enige dat de hypothese van de donkere dimensie niet kan verklaren de reden waarom de kosmologische constante zo verbijsterend klein is – een raadselachtig feit dat in wezen de aanzet gaf tot deze hele onderzoekslijn. “Het is waar dat dit programma dat feit niet verklaart,” gaf Vafa toe. “Maar wat we op basis van dit scenario kunnen zeggen, is dat als lambda klein is – en je beschrijft de gevolgen daarvan – er een hele reeks verbazingwekkende dingen op hun plaats zouden kunnen vallen.”