W „ciemnym wymiarze” fizycy szukają brakującej materii | Magazyn Quanta

Jeśli chodzi o zrozumienie struktury wszechświata, większość tego, co według naukowców istnieje, należy do ciemnej, niejasnej domeny. Zwykła materia, czyli to, co możemy zobaczyć i dotknąć, stanowi zaledwie 5% kosmosu. Reszta, jak twierdzą kosmolodzy, to ciemna energia i ciemna materia, tajemnicze substancje, które określa się jako „ciemne”, częściowo po to, aby odzwierciedlić naszą niewiedzę na temat ich prawdziwej natury.

Chociaż prawdopodobnie żadna pojedyncza koncepcja nie wyjaśni wszystkiego, co mamy nadzieję wiedzieć o kosmosie, koncepcja wprowadzona dwa lata temu może odpowiedzieć na kilka ważnych pytań. Nazywany scenariusz ciemnego wymiaruoferuje specyficzny przepis na ciemną materię i sugeruje ścisły związek między ciemną materią a ciemną energią. Scenariusz może nam również powiedzieć, dlaczego grawitacja – która kształtuje wszechświat w największych skalach – jest tak słaba w porównaniu z innymi siłami.

Scenariusz proponuje niewidziany jeszcze wymiar, który mieści się w i tak już złożonej dziedzinie teorii strun, która próbuje ujednolicić mechanikę kwantową i teorię grawitacji Einsteina. Oprócz czterech znanych wymiarów — trzech nieskończenie dużych wymiarów przestrzennych plus jeden czasu — teoria strun sugeruje, że istnieje sześć niezwykle małych wymiarów przestrzennych.

We wszechświecie ciemnego wymiaru jeden z tych dodatkowych wymiarów jest znacznie większy od pozostałych. Zamiast być 100 milionów bilionów razy mniejszy od średnicy protonu, ma średnicę około 1 mikrona — minuta według codziennych standardów, ale ogromna w porównaniu z innymi. W tym ciemnym wymiarze powstają masywne cząstki przenoszące siłę grawitacji, które tworzą ciemną materię, która według naukowców stanowi około 25% naszego Wszechświata i tworzy spoiwo spajające galaktyki. (Obecne szacunki utrzymują, że pozostałe 70% składa się z ciemnej energii, która napędza ekspansję Wszechświata).

Scenariusz „pozwala nam powiązać teorię strun, grawitację kwantową, fizykę cząstek elementarnych i kosmologię, [jednocześnie] odkrywając niektóre związane z nimi tajemnice” – powiedział Ignacego Antoniadisa, fizyk z Uniwersytetu w Sorbonie, który aktywnie bada propozycję ciemnego wymiaru.

Chociaż nie ma jeszcze dowodów na istnienie ciemnego wymiaru, scenariusz zawiera sprawdzalne przewidywania zarówno w zakresie obserwacji kosmologicznych, jak i fizyki stołowej. Oznacza to, że być może nie będziemy musieli długo czekać, aby przekonać się, czy hipoteza sprawdzi się w analizie empirycznej lub czy zostanie zdegradowana na listę kuszących pomysłów, które nigdy nie spełniły swoich pierwotnych obietnic.

„Przedstawiony tutaj ciemny wymiar” – powiedział fizyk Rajesha Gopakumara, dyrektor Międzynarodowego Centrum Nauk Teoretycznych w Bengaluru, ma „tę zaletę, że potencjalnie można go dość łatwo wykluczyć w miarę zaostrzania się nadchodzących eksperymentów”.

Wróżenie z ciemnego wymiaru

Inspiracją dla ciemnego wymiaru była długoletnia tajemnica dotycząca stałej kosmologicznej — terminu oznaczonego grecką literą lambda, który Albert Einstein wprowadził do swoich równań grawitacji w 1917 r. Wierząc w statyczny wszechświat, podobnie jak wielu jego rówieśników , Einstein dodał ten termin, aby równania nie opisywały rozszerzającego się wszechświata. Jednak w latach dwudziestych XX wieku astronomowie odkryli, że Wszechświat rzeczywiście pęcznieje, a w 1920 roku zaobserwowali, że rośnie on w przyspieszonym tempie, napędzany przez tak zwaną obecnie ciemną energię, którą można również wyrazić w równaniach za pomocą lambdy.

Od tego czasu naukowcy zmagali się z jedną uderzającą cechą lambdy: jej szacunkową wartością 10^-122 w jednostkach Plancka to „najmniejszy mierzony parametr w fizyce” – stwierdził Cumrun Vafa, fizyk z Uniwersytetu Harvarda. W 2022 roku, rozważając tę ​​niemal niezgłębioną małość z dwoma członkami swojego zespołu badawczego — Miguela Montero, obecnie w Madryckim Instytucie Fizyki Teoretycznej i Irena Valenzuela, obecnie w CERN — Vafa miał spostrzeżenie: taka maleńka lambda jest naprawdę ekstremalnym parametrem, co oznacza, że ​​można ją rozważyć w ramach wcześniejszych prac Vafy w teorii strun.

Wcześniej on i inni sformułowali przypuszczenie wyjaśniające, co się dzieje, gdy ważny parametr fizyczny przyjmuje wartość ekstremalną. Nazywa się to hipotezą odległości i odnosi się do „odległości” w sensie abstrakcyjnym: kiedy parametr przesuwa się w stronę odległej granicy możliwości, przyjmując w ten sposób wartość ekstremalną, będzie to miało konsekwencje dla pozostałych parametrów.

Zatem w równaniach teorii strun kluczowe wartości — takie jak masy cząstek, lambda lub stałe sprzężenia, które dyktują siłę oddziaływań — nie są stałe. Zmiana jednego z nich nieuchronnie wpłynie na pozostałe.

Na przykład, jak zaobserwowano, wyjątkowo małej lambdzie powinny towarzyszyć znacznie lżejsze, słabo oddziałujące cząstki o masach bezpośrednio powiązanych z wartością lambdy. „Co to może być?” – zastanawiał się Vafa.

Kiedy on i jego koledzy zastanawiali się nad tym pytaniem, zdali sobie sprawę, że hipoteza odległości i teoria strun w połączeniu dostarczyły jeszcze jednego kluczowego spostrzeżenia: aby te lekkie cząstki pojawiły się, gdy lambda jest prawie zerowa, jeden z dodatkowych wymiarów teorii strun musi być znacznie większy niż inne — być może wystarczająco duże, abyśmy mogli wykryć jego obecność, a nawet zmierzyć. Dotarli do ciemnego wymiaru.

Mroczna Wieża

Aby zrozumieć genezę wywnioskowanych cząstek światła, musimy cofnąć historię kosmologiczną do pierwszej mikrosekundy po Wielkim Wybuchu. W tamtym czasie kosmos był zdominowany przez promieniowanie – fotony i inne cząstki poruszające się z prędkością bliską prędkości światła. Cząstki te są już opisane w Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych, ale w scenariuszu ciemnego wymiaru rodzina cząstek, które nie są częścią Modelu Standardowego, może wyłonić się, gdy znane elementy zderzą się ze sobą.

„Od czasu do czasu te cząstki promieniowania zderzały się ze sobą, tworząc coś, co nazywamy «ciemnymi grawitonami»” – powiedział Georges Obied, fizyk z Uniwersytetu Oksfordzkiego, który pomagał w rzemiośle teoria ciemnych grawitonów.

Zwykle fizycy definiują grawitony jako bezmasowe cząstki, które poruszają się z prędkością światła i przenoszą siłę grawitacji, podobnie jak bezmasowe fotony przenoszą siłę elektromagnetyczną. Ale w tym scenariuszu, jak wyjaśnił Obied, te wczesne zderzenia stworzyły inny rodzaj grawitonu – coś mającego masę. Co więcej, wyprodukowali szereg różnych grawitonów.

„Istnieje jeden grawiton bez masy, czyli zwykły grawiton, jaki znamy” – powiedział Obied. „A potem istnieje nieskończenie wiele kopii ciemnych grawitonów, z których wszystkie są masywne”. Masy postulowanych ciemnych grawitonów to, z grubsza mówiąc, liczba całkowita razy stała, M, którego wartość jest powiązana ze stałą kosmologiczną. A jest ich cała „wieża” o szerokim zakresie mas i poziomów energii.

Aby zrozumieć, jak to wszystko może działać, wyobraźmy sobie nasz czterowymiarowy świat jako powierzchnię kuli. Nie możemy nigdy opuścić tej powierzchni – na dobre czy na złe – i dotyczy to również każdej cząstki Modelu Standardowego.

Jednakże grawitony mogą dotrzeć wszędzie z tego samego powodu, dla którego grawitacja istnieje wszędzie. I tu właśnie pojawia się mroczny wymiar.

Aby zobrazować ten wymiar, powiedział Vafa, pomyśl o każdym punkcie wyimaginowanej powierzchni naszego czterowymiarowego świata i dołącz do niego małą pętlę. Ta pętla jest (przynajmniej schematycznie) dodatkowym wymiarem. Jeśli dwie cząstki Modelu Standardowego zderzą się i utworzą grawiton, grawiton „może przedostać się do tego pozawymiarowego koła i podróżować wokół niego jak fala” – powiedział Vafa. (Mechanika kwantowa mówi nam, że każda cząstka, w tym grawitony i fotony, może zachowywać się zarówno jak cząstka, jak i fala – jest to stuletnia koncepcja znana jako dualizm korpuskularno-falowy.)

Gdy grawitony przedostają się do ciemnego wymiaru, wytwarzane przez nie fale mogą mieć różne częstotliwości, z których każda odpowiada różnym poziomom energii. A te masywne grawitony, podróżujące po pozawymiarowej pętli, wytwarzają znaczący wpływ grawitacyjny w miejscu, w którym pętla łączy się z kulą.

„Może to jest ciemna materia?” Vafa zamyślił się. W końcu grawitony, które wymyślili, słabo oddziaływały, a mimo to były w stanie wytworzyć pewną siłę grawitacyjną. Zauważył, że zaletą tego pomysłu jest to, że grawitony są częścią fizyki od 90 lat, odkąd po raz pierwszy zaproponowano je jako nośniki siły grawitacyjnej. (Należy zauważyć, że grawitony są cząstkami hipotetycznymi i nie zostały wykryte bezpośrednio). Aby wyjaśnić ciemną materię, „nie musimy wprowadzać nowej cząstki” – powiedział.

Grawitony, które mogą przedostać się do domeny pozawymiarowej, są „naturalnymi kandydatami na ciemną materię” – stwierdził Georgi Dwali, dyrektor Instytutu Fizyki Maxa Plancka, który nie pracuje bezpośrednio nad koncepcją ciemnego wymiaru.

Duży wymiar, taki jak zakładany ciemny wymiar, miałby miejsce dla długich fal, co oznacza cząstki o niskiej częstotliwości, niskiej energii i małej masie. Gdyby jednak ciemny grawiton przedostał się do jednego z maleńkich wymiarów teorii strun, jego długość fali byłaby wyjątkowo krótka, a masa i energia bardzo wysoka. Takie supermasywne cząstki byłyby niestabilne i bardzo krótkotrwałe. „Już dawno by ich nie było” – powiedział Dvali – „bez możliwości służenia jako ciemna materia w obecnym wszechświecie”.

Grawitacja i jej nośnik, grawitony, przenikają wszystkie wymiary teorii strun. Ale ciemny wymiar jest o wiele większy – o wiele rzędów wielkości – od innych dodatkowych wymiarów, że siła grawitacji uległaby osłabieniu, przez co wydawałby się słaby w naszym czterowymiarowym świecie, gdyby przenikał zauważalnie do bardziej przestronnego ciemnego wymiaru . „To wyjaśnia niezwykłą różnicę [w sile] pomiędzy grawitacją a innymi siłami” – powiedział Dvali, zauważając, że ten sam efekt będzie widoczny w inne pozawymiarowe scenariusze.

Biorąc pod uwagę, że scenariusz ciemnego wymiaru może przewidzieć takie rzeczy jak ciemna materia, można go poddać testowi empirycznemu. „Jeśli podam ci jakąś korelację, której nigdy nie będziesz w stanie sprawdzić, nigdy nie udowodnisz, że się mylę” – powiedziała Valenzuela, współautorka książki oryginalny ciemny papier. „O wiele bardziej interesujące jest przewidzenie czegoś, co można faktycznie udowodnić lub obalić”.

Zagadki Ciemności

Astronomowie wiedzą o istnieniu ciemnej materii – przynajmniej w jakiejś formie – od 1978 roku, kiedy astronom Vera Rubin ustaliła, że ​​galaktyki obracają się tak szybko, że gwiazdy na ich najbardziej zewnętrznych obrzeżach byłyby wyrzucane w dal, gdyby nie ogromne zbiorniki jakiejś niewidocznej materii. substancja je zatrzymująca. Identyfikacja tej substancji okazała się jednak bardzo trudna. Pomimo prawie 40 lat eksperymentalnych wysiłków mających na celu wykrycie ciemnej materii, nie znaleziono takiej cząstki.

Jeśli ciemna materia okaże się ciemnymi grawitonami, które niezwykle słabo oddziałują, stwierdził Vafa, to się nie zmieni. „Nigdy nie zostaną odnalezieni bezpośrednio”.

Mogą jednak istnieć możliwości pośredniego dostrzeżenia sygnatur tych grawitonów.

Jedna ze strategii, którą realizują Vafa i jego współpracownicy, opiera się na wielkoskalowych badaniach kosmologicznych, które przedstawiają rozmieszczenie galaktyk i materii. W tych rozkładach mogą występować „niewielkie różnice w zachowaniu skupień” – powiedział Obied, co wskazywałoby na obecność ciemnych grawitonów.

Kiedy cięższe ciemne grawitony rozpadają się, tworzą parę jaśniejszych ciemnych grawitonów o łącznej masie nieco mniejszej niż masa ich cząstki macierzystej. Brakującą masę zamienia się na energię kinetyczną (zgodnie ze wzorem Einsteina, E = mc²), co daje nowo utworzonym grawitonom nieco przyspieszenia – „prędkość kopnięcia”, którą szacuje się na około jedną dziesiątą tysięczną prędkości światła.

Te prędkości kopnięcia mogą z kolei wpływać na sposób powstawania galaktyk. Według standardowego modelu kosmologicznego galaktyki zaczynają się od skupiska materii, której przyciąganie grawitacyjne przyciąga więcej materii. Ale grawitony o wystarczającej prędkości kopnięcia mogą uciec przed tym uściskiem grawitacyjnym. Jeśli tak się stanie, powstała galaktyka będzie nieco mniej masywna, niż przewiduje standardowy model kosmologiczny. Astronomowie mogą szukać tej różnicy.

Ostatnie obserwacje struktury kosmicznej z przeglądu Kilo-Degree są jak dotąd zgodne z ciemnym wymiarem: analiza danych z tego przeglądu umieścił górną granicę na prędkości kopnięcia, która była bardzo zbliżona do wartości przewidywanej przez Obieda i jego współautorów. Bardziej rygorystyczny test zostanie przeprowadzony przez kosmiczny teleskop Euclid, który został wystrzelony w lipcu ubiegłego roku.

W międzyczasie fizycy planują również przetestować koncepcję ciemnego wymiaru w laboratorium. Jeśli grawitacja przenika do ciemnego wymiaru o średnicy 1 mikrona, można w zasadzie szukać odchyleń od oczekiwanej siły grawitacji między dwoma obiektami oddalonymi o tę samą odległość. Nie jest to łatwy eksperyment do przeprowadzenia, powiedział Armina Shayeghiego, fizyk z Austriackiej Akademii Nauk, który przeprowadza test. Ale „istnieje prosty powód, dla którego musimy przeprowadzić ten eksperyment” – dodał: dopóki nie przyjrzymy się, nie dowiemy się, jak zachowuje się grawitacja w tak małych odległościach.

Połączenia najbliższy dotychczasowy pomiar — przeprowadzone w 2020 r. na Uniwersytecie Waszyngtońskim — obejmowało odstęp między dwoma ciałami testowymi o grubości 52 mikronów. Austriacka grupa ma nadzieję ostatecznie osiągnąć zakres 1 mikrona przewidywany dla ciemnego wymiaru.

Chociaż fizycy uważają propozycję ciemnego wymiaru za intrygującą, niektórzy są sceptyczni, czy się sprawdzi. „Poszukiwanie dodatkowych wymiarów poprzez bardziej precyzyjne eksperymenty jest bardzo interesującą rzeczą” – powiedział Juana Maldaceny, fizyk z Institute for Advanced Study, „choć uważam, że prawdopodobieństwo ich znalezienia jest niskie”.

Józef Konon, fizyk z Oksfordu, podziela ten sceptycyzm: „Istnieje wiele idei, które byłyby ważne, gdyby były prawdziwe, ale prawdopodobnie tak nie jest. To jest jeden z nich. Hipotezy, na których się opiera, są dość ambitne i uważam, że obecne dowody na ich poparcie są raczej słabe”.

Oczywiście ciężar dowodu może się zmieniać, dlatego w pierwszej kolejności przeprowadzamy eksperymenty. Propozycja ciemnego wymiaru, jeśli zostanie poparta zbliżającymi się testami, może przybliżyć nas do zrozumienia, czym jest ciemna materia, w jaki sposób jest powiązana zarówno z ciemną energią, jak i grawitacją oraz dlaczego grawitacja wydaje się słaba w porównaniu z innymi znanymi siłami. „Teoretycy zawsze próbują to osiągnąć poprzez „łączenie ze sobą”. Ciemny wymiar to jeden z najbardziej obiecujących pomysłów w tym kierunku, jaki słyszałem” – powiedział Gopakumar.

Ale, jak na ironię, jedyną rzeczą, której hipoteza ciemnego wymiaru nie może wyjaśnić, jest to, dlaczego stała kosmologiczna jest tak zdumiewająco mała – zagadkowy fakt, który w zasadzie zapoczątkował cały ten kierunek badań. „To prawda, że ​​ten program nie wyjaśnia tego faktu” – przyznał Vafa. „Ale na podstawie tego scenariusza możemy powiedzieć, że jeśli lambda jest mała – i określisz konsekwencje tego – może wydarzyć się cały zestaw niesamowitych rzeczy”.