Într-o „dimensiune întunecată”, fizicienii caută materie lipsă | Revista Quanta

Când vine vorba de înțelegerea structurii universului, cea mai mare parte a ceea ce oamenii de știință cred că există este limitată la un domeniu întunecat și tulbure. Materia obișnuită, lucrurile pe care le putem vedea și atinge, reprezintă doar 5% din cosmos. Restul, spun cosmologii, este energie întunecată și materie întunecată, substanțe misterioase care sunt etichetate „întunecate” parțial pentru a reflecta ignoranța noastră cu privire la adevărata lor natură.

Deși nicio idee nu poate explica tot ceea ce sperăm să știm despre cosmos, o idee introdusă în urmă cu doi ani ar putea răspunde la câteva întrebări mari. Numit scenariul dimensiunii întunecate, oferă o rețetă specifică pentru materia întunecată și sugerează o legătură intimă între materia întunecată și energia întunecată. Scenariul ne-ar putea spune și de ce gravitația – care sculptează universul la cele mai mari scale – este atât de slabă în comparație cu celelalte forțe.

Scenariul propune o dimensiune încă nevăzută care trăiește în domeniul deja complex al teoriei corzilor, care încearcă să unifice mecanica cuantică și teoria gravitației a lui Einstein. Pe lângă cele patru dimensiuni familiare - trei dimensiuni spațiale infinit de mari plus una de timp - teoria corzilor sugerează că există șase dimensiuni spațiale extrem de mici.

În universul dimensiunii întunecate, una dintre aceste dimensiuni suplimentare este semnificativ mai mare decât celelalte. În loc să fie de 100 de milioane de trilioane de ori mai mic decât diametrul unui proton, măsoară aproximativ 1 micron în diametru - minut conform standardelor de zi cu zi, dar enorm în comparație cu celelalte. Particulele masive care poartă forța gravitațională sunt generate în această dimensiune întunecată și ele alcătuiesc materia întunecată despre care oamenii de știință cred că cuprinde aproximativ 25% din universul nostru și formează lipiciul care ține galaxiile împreună. (Estimările actuale susțin că restul de 70% constă din energie întunecată, care conduce expansiunea universului.)

Scenariul „ne permite să facem conexiuni între teoria corzilor, gravitația cuantică, fizica particulelor și cosmologie, [în timp ce] abordăm unele dintre misterele legate de acestea”, a spus Ignatios Antoniadis, un fizician la Universitatea Sorbona care investighează activ propunerea dimensiunii întunecate.

Deși nu există încă dovezi că dimensiunea întunecată există, scenariul face predicții testabile atât pentru observațiile cosmologice, cât și pentru fizica de pe masă. Acest lucru înseamnă că poate nu trebuie să așteptăm mult pentru a vedea dacă ipoteza va rezista sub un control empiric - sau dacă va fi retrogradată pe lista ideilor tentante care nu și-au îndeplinit niciodată promisiunea inițială.

„Dimensiunea întunecată imaginată aici”, a spus fizicianul Rajesh Gopakumar, director al Centrului Internațional pentru Științe Teoretice din Bengaluru, are „virtutea de a fi exclus destul de ușor pe măsură ce experimentele viitoare devin mai clare”.

Divinizarea Dimensiunii Întunecate

Dimensiunea întunecată a fost inspirată de un mister de lungă durată privind constanta cosmologică - un termen, desemnat de litera greacă lambda, pe care Albert Einstein l-a introdus în ecuațiile sale de gravitație în 1917. Crezând într-un univers static, la fel ca mulți dintre colegii săi. , Einstein a adăugat termenul pentru a împiedica ecuațiile să descrie un univers în expansiune. Însă în anii 1920, astronomii au descoperit că universul se umflă într-adevăr, iar în 1998 au observat că crește cu o viteză accelerată, propulsat de ceea ce acum este denumit în mod obișnuit energie întunecată - care poate fi de asemenea notat în ecuații cu lambda.

De atunci, oamenii de știință s-au luptat cu o caracteristică izbitoare a lambda: valoarea sa estimată de 10.^-122 în unități Planck este „cel mai mic parametru măsurat în fizică”, a spus Cumrun Vafa, fizician la Universitatea Harvard. În 2022, în timp ce consideră că micimea aproape insondabilă cu doi membri ai echipei sale de cercetare - Miguel Montero, acum la Institutul de Fizică Teoretică din Madrid și Irene Valenzuela, în prezent la CERN — Vafa a avut o perspectivă: o astfel de lambda minusculă este un parametru cu adevărat extrem, ceea ce înseamnă că ar putea fi luat în considerare în cadrul lucrării anterioare a lui Vafa în teoria corzilor.

Mai devreme, el și alții formulaseră o presupunere care explică ce se întâmplă atunci când un parametru fizic important capătă o valoare extremă. Numită conjectura de distanță, se referă la „distanță” într-un sens abstract: atunci când un parametru se deplasează spre marginea îndepărtată a posibilității, asumând astfel o valoare extremă, vor exista repercusiuni pentru ceilalți parametri.

Astfel, în ecuațiile teoriei corzilor, valorile cheie - cum ar fi masele particulelor, lambda sau constantele de cuplare care dictează puterea interacțiunilor - nu sunt fixe. Modificarea unuia le va afecta inevitabil pe celelalte.

De exemplu, o lambda extraordinar de mică, așa cum s-a observat, ar trebui să fie însoțită de particule mult mai ușoare, care interacționează slab, cu mase direct legate de valoarea lambda. „Ce ar putea fi?” se întrebă Vafa.

În timp ce el și colegii săi se gândeau la această întrebare, ei și-au dat seama că conjectura distanței și teoria corzilor s-au combinat pentru a oferi încă o perspectivă cheie: pentru ca aceste particule ușoare să apară când lambda este aproape zero, una dintre dimensiunile suplimentare ale teoriei corzilor trebuie să fie semnificativ mai mare decât altele — poate suficient de mari pentru ca noi să-i detectăm prezența și chiar să o măsurăm. Ajunseseră în dimensiunea întunecată.

Turnul Intunecat

Pentru a înțelege geneza particulelor de lumină deduse, trebuie să derulăm înapoi istoria cosmologică la prima microsecundă după Big Bang. În acest moment, cosmosul era dominat de radiații - fotonii și alte particule care se mișcau aproape de viteza luminii. Aceste particule sunt deja descrise de modelul standard al fizicii particulelor, dar în scenariul dimensiunii întunecate, o familie de particule care nu fac parte din modelul standard poate apărea atunci când cele familiare se ciocnesc împreună.

„Din când în când, aceste particule de radiație se ciocneau unele cu altele, creând ceea ce numim „gravitoni întunecați”,” a spus Georges Obied, un fizician la Universitatea din Oxford care a ajutat la artizanat teoria gravitonilor întunecați.

În mod normal, fizicienii definesc gravitonii ca fiind particule fără masă care călătoresc cu viteza luminii și transmit forța gravitațională, similar fotonilor fără masă care transmit forța electromagnetică. Dar în acest scenariu, așa cum a explicat Obied, aceste coliziuni timpurii au creat un alt tip de graviton - ceva cu masă. Mai mult decât atât, au produs o gamă de gravitoni diferiți.

„Există un graviton fără masă, care este gravitonul obișnuit pe care îl cunoaștem”, a spus Obied. „Și apoi există o infinitate de copii ale gravitonilor întunecați, toate fiind masive.” Masele gravitonilor întunecați postulați sunt, aproximativ vorbind, un număr întreg ori o constantă, M, a cărui valoare este legată de constanta cosmologică. Și există un întreg „turn” al acestora cu o gamă largă de mase și niveluri de energie.

Pentru a înțelege cum ar putea funcționa toate acestea, imaginați-vă lumea noastră cu patru dimensiuni ca suprafața unei sfere. Nu putem părăsi acea suprafață, niciodată – în bine sau în rău – și acest lucru este valabil și pentru fiecare particulă din modelul standard.

Gravitonii, însă, pot merge peste tot, din același motiv pentru care gravitația există peste tot. Și aici intervine dimensiunea întunecată.

Pentru a vă imagina această dimensiune, a spus Vafa, gândiți-vă la fiecare punct de pe suprafața imaginată a lumii noastre cu patru dimensiuni și atașați-i o buclă mică. Acea buclă este (cel puțin schematic) dimensiunea suplimentară. Dacă două particule de model standard se ciocnesc și creează un graviton, gravitonul „se poate scurge în acel cerc extradimensional și poate călători în jurul lui ca un val”, a spus Vafa. (Mecanica cuantică ne spune că fiecare particulă, inclusiv gravitonii și fotonii, se poate comporta atât ca o particulă, cât și ca o undă - un concept vechi de 100 de ani cunoscut sub numele de dualitate val-particulă.)

Pe măsură ce gravitonii se scurg în dimensiunea întunecată, undele pe care le produc pot avea frecvențe diferite, fiecare corespunzând unor niveluri de energie diferite. Și acei gravitoni masivi, care călătoresc în jurul buclei extradimensionale, produc o influență gravitațională semnificativă în punctul în care bucla se atașează la sferă.

„Poate că aceasta este materia întunecată?” gândi Vafa. La urma urmei, gravitonii pe care i-au inventat interacționau slab, dar capabili să adună o anumită greutate gravitațională. Un merit al ideii, a remarcat el, este că gravitonii fac parte din fizică de 90 de ani, fiind propuși pentru prima dată ca purtători ai forței gravitaționale. (Gravitonii, trebuie remarcat, sunt particule ipotetice și nu au fost detectate direct.) Pentru a explica materia întunecată, „nu trebuie să introducem o nouă particulă”, a spus el.

Gravitonii care se pot scurge în domeniul extradimensional sunt „candidați naturali pentru materia întunecată”, a spus Georgi Dvali, director al Institutului Max Planck pentru Fizică, care nu lucrează direct la ideea dimensiunii întunecate.

O dimensiune mare, cum ar fi dimensiunea întunecată poziționată, ar avea loc pentru lungimi de undă lungi, ceea ce implică particule de frecvență joasă, energie scăzută și masă mică. Dar dacă un graviton întunecat s-ar scurge într-una dintre dimensiunile mici ale teoriei corzilor, lungimea sa de undă ar fi extrem de scurtă, iar masa și energia sa foarte mari. Particulele supermasive ca aceasta ar fi instabile și de foarte scurtă durată. Ei „ar fi dispărut de mult”, a spus Dvali, „fără a avea posibilitatea de a servi drept materie întunecată în universul actual”.

Gravitația și purtătorul ei, gravitonii, pătrund în toate dimensiunile teoriei corzilor. Dar dimensiunea întunecată este mult mai mare – cu multe ordine de mărime – decât celelalte dimensiuni suplimentare, încât puterea gravitației s-ar dilua, făcând-o să pară slabă în lumea noastră cu patru dimensiuni, dacă s-ar infiltra în mod apreciabil în dimensiunea întunecată mai încăpătoare. . „Aceasta explică diferența extraordinară [în putere] dintre gravitație și celelalte forțe”, a spus Dvali, observând că același efect ar fi văzut în alte scenarii extradimensionale.

Având în vedere că scenariul dimensiunii întunecate poate prezice lucruri precum materia întunecată, poate fi supus unui test empiric. „Dacă vă ofer o corelație pe care nu o puteți testa niciodată, nu puteți dovedi niciodată că mă înșel”, a spus Valenzuela, coautor al lucrării. hârtie originală de dimensiune întunecată. „Este mult mai interesant să prezici ceva pe care de fapt poți dovedi sau infirma.”

Enigmele întunericului

Astronomii știu că materia întunecată există - cel puțin într-o anumită formă - din 1978, când astronomul Vera Rubin a stabilit că galaxiile se roteau atât de repede încât stelele de pe marginile lor exterioare ar fi aruncate în depărtare dacă nu ar fi rezervoare vaste de unele nevăzute. substanță care îi reține. Identificarea acelei substanțe s-a dovedit însă foarte dificilă. În ciuda a aproape 40 de ani de eforturi experimentale pentru a detecta materia întunecată, nu a fost găsită o astfel de particule.

Dacă materia întunecată se dovedește a fi gravitoni întunecați, care interacționează extrem de slab, a spus Vafa, asta nu se va schimba. „Nu vor fi niciodată găsite direct.”

Dar pot exista oportunități de a identifica indirect semnăturile acelor gravitoni.

O strategie pe care Vafa și colaboratorii săi o urmăresc se bazează pe studii cosmologice la scară largă care prezintă distribuția galaxiilor și a materiei. În acele distribuții, ar putea exista „mici diferențe în comportamentul grupării”, a spus Obied, care ar semnala prezența gravitonilor întunecați.

Când gravitonii întunecați mai grei se descompun, ei produc o pereche de gravitoni întunecați mai deschisi cu o masă combinată care este puțin mai mică decât cea a particulei lor părinte. Masa lipsă este convertită în energie cinetică (în conformitate cu formula lui Einstein, E = mc²), care oferă noilor gravitonii creați un pic de impuls - o „viteză de lovire” care este estimată la aproximativ o zece miimi din viteza luminii.

Aceste viteze, la rândul lor, ar putea afecta modul în care se formează galaxiile. Conform modelului cosmologic standard, galaxiile încep cu o grămadă de materie a cărei atracție gravitațională atrage mai multă materie. Dar gravitonii cu o viteză suficientă de lovire pot scăpa de această strângere gravitațională. Dacă o fac, galaxia rezultată va fi puțin mai puțin masivă decât prezice modelul cosmologic standard. Astronomii pot căuta această diferență.

Observațiile recente ale structurii cosmice de la Kilo-Degree Survey sunt până acum în concordanță cu dimensiunea întunecată: o analiză a datelor din acel sondaj a plasat o limită superioară asupra vitezei de lovire care era foarte apropiată de valoarea prezisă de Obied și de coautorii săi. Un test mai riguros va veni de la telescopul spațial Euclid, care a fost lansat în iulie anul trecut.

Între timp, fizicienii plănuiesc să testeze ideea dimensiunii întunecate în laborator. Dacă gravitația se scurge într-o dimensiune întunecată care măsoară 1 micron, în principiu, s-ar putea căuta orice abateri de la forța gravitațională așteptată între două obiecte separate de aceeași distanță. Nu este un experiment ușor de realizat, a spus Armin Shayeghi, un fizician la Academia Austriacă de Științe care efectuează testul. Dar „există un motiv simplu pentru care trebuie să facem acest experiment”, a adăugat el: Nu vom ști cum se comportă gravitația la distanțe atât de apropiate până nu ne uităm.

cea mai apropiată măsurătoare până în prezent — realizat în 2020 la Universitatea din Washington — a implicat o separare de 52 de microni între două corpuri de testare. Grupul austriac speră să atingă în cele din urmă intervalul de 1 micron prevăzut pentru dimensiunea întunecată.

În timp ce fizicienii consideră intrigantă propunerea dimensiunii întunecate, unii sunt sceptici că va funcționa. „Căutarea unor dimensiuni suplimentare prin experimente mai precise este un lucru foarte interesant de făcut”, a spus Juan Maldacena, fizician la Institutul pentru Studii Avansate, „deși cred că probabilitatea de a le găsi este scăzută”.

Joseph Conlon, un fizician la Oxford, împărtășește acest scepticism: „Există multe idei care ar fi importante dacă sunt adevărate, dar probabil că nu sunt. Acesta este unul dintre ele. Conjecturile pe care se bazează sunt oarecum ambițioase și cred că dovezile actuale pentru ele sunt destul de slabe.”

Desigur, greutatea dovezilor se poate schimba, motiv pentru care facem experimente în primul rând. Propunerea dimensiunii întunecate, dacă este susținută de testele viitoare, are potențialul de a ne aduce mai aproape de înțelegerea ce este materia întunecată, cum este legată atât de energia întunecată, cât și de gravitație și de ce gravitația pare slabă în comparație cu celelalte forțe cunoscute. „Teoreticienii încearcă mereu să facă acest lucru „a lega împreună”. Dimensiunea întunecată este una dintre cele mai promițătoare idei pe care le-am auzit în această direcție”, a spus Gopakumar.

Dar, într-o întorsătură ironică, singurul lucru pe care ipoteza dimensiunii întunecate nu poate explica este de ce constanta cosmologică este atât de uimitor de mică - un fapt surprinzător care a inițiat în esență toată această linie de anchetă. „Este adevărat că acest program nu explică acest fapt”, a recunoscut Vafa. „Dar ceea ce putem spune, bazându-ne din acest scenariu, este că, dacă lambda este mică – și explici consecințele acestui lucru – un întreg set de lucruri uimitoare ar putea intra în loc.”