지난 1 년 동안 샌프란시스코 베이 지역에서 협력 해 온 3 명의 물리학 자들은 30 년 이상 자신의 분야를 강화한 미스터리에 새로운 솔루션을 고안했습니다. 점점 더 강력한 입자 충돌기에서 실험을 중단하고 논란의 여지가있는 다중 버즈 가설을 일으킨이 심오한 퍼즐은 밝은 4 학년이 물어볼 수있는 것에 해당합니다. 자석이 어떻게 지구 전체의 중력을 잡아 당기는 것에 대항하여 종이 클립을 들어 올릴 수 있습니까?
.별과 은하의 움직임에 대한 흔들림에도 불구하고, 중력의 힘은 자성과 자연의 다른 미세한 힘보다 약한 수억 억의 시간이 약다. 이 불균형은 물리 방정식에서 히그 스 보손의 질량 사이의 유사하게 터무니없는 차이로 나타납니다. 2012 년에 다른 알려진 입자와 관련된 질량과 힘을 제어하는 입자, 그리고 예상되는 중력 상태의 예상 질량 범위
.유럽의 대형 Hadron Collider (LHC)의 증거가 없으면 유혹적으로 우아한“초대칭”을 포함 하여이 터무니없는 대량 계층 구조를 설명하기 위해 이전에 제안한 이론을 뒷받침하는 많은 물리학 자들은 자연 법칙의 논리를 의심하게되었습니다. 점점 더, 그들은 우리 우주가 단지 다른 가능한 우주들 사이에서 무작위로 기괴한 순열일지도 모른다.
이번 달, LHC는 이전의 운영 에너지의 거의 두 배로 열심히 기대되는 2 차 실행을 시작하여 계층 구조 문제를 해결할 새로운 입자 나 현상을 계속 추구했습니다. 그러나 새로운 입자가 모퉁이에 없을 가능성은 이론적 물리학 자들이 그들의“악몽 시나리오”에 직면 한 것을 떠났다. 그것은 또한 그들에게 생각을 얻었습니다.
LHC가있는 제네바 근처의 CERN 실험실의 이론적 입자 물리학자인 Gian Giudice는“새로운 아이디어가 발전하는 것은 위기의 순간입니다.
새로운 제안은 가능한 방법을 제공합니다. 트리오는“매우 흥분하다”고 Md.의 Baltimore에있는 Johns Hopkins University의 이론적 입자 물리학자인 David Kaplan (46 세)은 Stanford University의 Peter Graham (35 세)과 35 세의 Peter Graham (35 세)과 함께 32 세의 Surjeet Rajendran과 함께 웨스트 코스트의 안식일과 함께이 모델을 개발 한 이론적 인 입자 물리학자가 말했다.
그들의 해결책은 중력과 다른 근본적인 힘 사이의 계층 구조를 우주의 폭발적인 탄생으로 거슬러 올라갑니다. 그들의 모델은 갑자기 교착 상태로 진화 한 두 가지 변수를 제안합니다. 그 순간, "axion"이라는 가상의 입자는 Higgs Boson을 현재의 덩어리에 잠그고 중력의 규모보다 훨씬 낮았습니다. Axion은 1977 년 이래 이론적 방정식으로 나타 났으며 존재할 가능성이있는 것으로 간주됩니다. 그러나 지금까지 아무도 axions가 트리오가“이완”이라고 부르는 것이 될 수 있다는 것을 알지 못했습니다.
College Park에있는 메릴랜드 대학교의 이론적 입자 물리학자인 Raman Sundrum은“매우 영리한 아이디어입니다. "아마도 그 버전의 일부는 세상이 작동하는 방식입니다."
트리오의 논문이 온라인으로 등장한 지 몇 주 만에, 연구원들은 약점을 개정하고 기본 전제를 여러 방향으로 취하기를 간절히 바라고있는“새로운 놀이터”를 열었다고 산타 바바라 대학교의 이론적 물리학자인 나다니엘 크레이그 (Nathaniel Craig)는 말했다.
Rajendran은“이것은 매우 간단한 가능성처럼 보입니다. “우리는 여기서 미친 짓을하기 위해 머리에 서 있지 않습니다. 일하고 싶어.”
그러나 몇몇 전문가들이 언급했듯이, 현재의 형태로 아이디어에는 신중하게 고려해야 할 단점이 있습니다. 그리고 그것이이 조사에서 살아남더라도 실험적으로 테스트하는 데 10 년 이상이 걸릴 수 있습니다. 전문가들은 당분간 이완이 롱 벨드 전망을 흔들고 일부 물리학 자들이 새로운 시각에서 계층 구조 문제를 보도록 격려하고 있다고 말했다. 캘리포니아 대학교 산타 크루즈 (Santa Cruz)의 물리학자인 마이클 다인 (Michael Dine)은“계층 구조 문제의 베테랑 인 마이클 다인 (Michael Dine)은“우리가 포기하고 우리가 그것을 알아낼 수 없다고 가정하는 것”이라고 말했다.
부 자연스러운 균형
입자 물리학의“표준 모델”을 완성하고 Peter Higgs와 François Englert를 2013 년 노벨 물리학 상을 수상한 2012 년 Higgs Boson의 발견을 둘러싼 모든 계시에 대해서는 놀라운 일이되었습니다. 입자의 존재 및 측정 질량은 125 개의 Giga-Electron Volts (GEV)의 질량을 측정했습니다. LHC에서는 전문가들이 당황하게 한 것이 발견되지 않은 것입니다. Higgs 질량을 중력과 관련된 예상 질량 척도와 조화시킬 수있는 것은 없으며, 이는 실험적 범위를 넘어 10,000,000,000,000,000,000 GEV를 넘어선 것입니다.
Giudice는“이 문제는 양자 역학에서 모든 것이 다른 모든 것에 영향을 미친다는 것입니다. 매우 무거운 중력 상태는 Higgs Boson과 기계적으로 양자를 섞어 질량의 가치에 큰 요인을 기여해야합니다. 그러나 어쨌든, Higgs Boson은 가볍습니다. 마치 마치 질량에 영향을 미치는 모든 가간 요인 (일부 긍정적이고 다른 일부는 부정적이지만 수십 자리 길이)이 마술처럼 취소되어 매우 작은 가치를 남겼습니다. Giudice는이 요인들의 명백한 미세 조정 취소는“의심스러운 것 같다”고 말했다. "당신은 그 뒤에 다른 것이 있어야한다고 생각합니다."
전문가들은 종종 미세 조정 된 Higgs 질량을 리드 팁에 서있는 연필과 비교하여 이런 식으로 멍청하고 기류 및 테이블 진동과 같은 강력한 힘으로 완벽한 균형을 잡았습니다. “불가능한 상태가 아닙니다. Stanford의 Savas Dimopoulos는 말했습니다. 당신이 그런 연필을 만났다면, 그는 다음과 같이 말했습니다. [다음] 껌이 있는지 확인하기 위해 팁을 살펴볼 것입니다.”
물리학 자들은 1970 년대 이래로 계층 구조 문제에 대한 자연스러운 설명을 찾아 왔으며, 검색이 더 완전한 자연 이론으로 이어질 것이라고 확신하며, 아마도 은하에 스며드는 보이지 않는 물질 인“암흑 물질”의 입자를 돌리게 될 것입니다. Giudice는“자연은 실제로 그 연구의 leitmotif였습니다.
1980 년대 이래로 가장 인기있는 제안은 초대칭입니다. 각 기본 입자에 대해 아직 발견되지 않은 쌍둥이를 가정하여 계층 구조 문제를 해결합니다. 전자, 가상의 "셀렉트론", 각 쿼크, "스쿼크"등. 쌍둥이는 Higgs Boson의 질량에 반대되는 용어를 기여하여 매우 무거운 중력 입자의 영향에 면역을 낳습니다 (쌍둥이의 효과에 의해 무효화되기 때문에)
.그러나 "테크니 컬러"및 "뒤틀린 추가 차원"과 같은 초대칭 또는 경쟁 아이디어에 대한 증거는 2010 년부터 2013 년까지 LHC의 첫 번째 실행 중에 나타났습니다. 2013 년 초에 콜라이더가 표준 모델을 넘어서 단일 "스파이트"또는 다른 물리학의 징후를 발견하지 않고 2013 년 초 업그레이드를 위해 종료 될 때, 많은 전문가들은 더 이상 대안을 피할 수 없다고 생각했습니다. iggss의 질량과 자연의 법칙이 부자연스럽지 않다면 어떻게해야합니까? 계산에 따르면 Higgs Boson의 질량이 몇 배만 더 무거워지고 다른 모든 것이 동일하게 유지된다면, 양성자는 더 이상 원자로 조립할 수 없으며, 별이나 살아있는 존재가없는 복잡한 구조가 없을 것입니다. 따라서 우리 우주가 실수로 균형을 잡은 연필처럼 실수로 미세 조정된다면, 인생은 영원히 거품이 많은“다중 버스”바다 내부에서 우리의 우주 주소로서 우리의 우주 주소로 단순히 생명이 존재하기 위해 그러한 터무니없는 사고가 필요하기 때문에?
.1990 년대 후반부터 계층 구조 문제에 대한 논의에 대한 논의가 다가온이 다중 가설은 대부분의 물리학 자들이 황량한 전망으로 여겨진다. 크레이그는“그냥 무엇을 해야할지 모르겠다”고 말했다. "우리는 규칙이 무엇인지 모릅니다." 다중 사람들의 다른 거품은 그들이 존재한다면, 가벼운 의사 소통의 경계를 넘어서, 우리의 외로운 거품 내에서 우리가 관찰 할 수있는 것에 대한 다중 사람들에 대한 이론을 영원히 제한합니다. 우리의 데이터 포인트가 다중의 광대 한 가능성에 대한 데이터 포인트가 어디에 있는지 알 수 없을 때, 우리의 우주가 왜 그런지에 대한 멀티버스 기반 논쟁을 구성하는 것은 어렵거나 불가능 해집니다. Dine은“우리가 어느 시점에서 확신 할 것인지 모르겠습니다. “어떻게 정착 하시겠습니까? 어떻게 알 겠어요?”
iggs와 이완
Kaplan은 지난 여름 Bay Area를 방문하여 Graham 및 Rajendran과 협력했습니다. 그는 Supersymmetry의 주요 개발자 중 한 명인 Dimopoulos 아래에서 여러 차례 일했기 때문에 알고있었습니다. 지난 1 년 동안 트리오는 버클리와 스탠포드 (Stanford)와 다양한 커피 숍, 점심 장소 및 아이스크림 팔러가 두 캠퍼스에 국한한“아이디어의 배아 비트”를 교환하고 입자 물리 법칙에 대한 새로운 기원 이야기를 점차적으로 개발하고 있다고 말했다.
래리 애보트 (Larry Abbott)가 물리학에서 다른 자연스런 문제를 해결하려는 1984 년 시도에서 영감을 얻은 그들은 히그 스 질량을 진화하는 매개 변수로 재구성하려고했는데, 이는 고정되고 겉보기에 불가능한 상수로 시작하기보다는 코스모스의 탄생 동안 작은 가치로 동적으로“완화”할 수있었습니다. Kaplan은“6 개월의 막 다른 골목과 정말 바보 같은 모델과 매우 바로크, 복잡한 것들이 있었지만 우리는이 매우 간단한 그림에 착륙했습니다.”라고 Kaplan은 말했습니다.
그들의 모델에서, Higgs 질량은 공간과 시간에 침투하는 가상 필드의 수치 값, 즉 Axion 필드에 의존합니다. Dimopoulos는“우리는 공간의 전체 가이 3D 매트리스라고 생각합니다. 필드의 각 지점에서의 값은 매트리스 스프링이 어떻게 압축되는지에 해당합니다. 이 매트리스의 존재와 축 형태의 진동이 두 가지 깊은 미스터리를 해결할 수 있다는 것은 오랫동안 인식되어 왔습니다. 첫째, Axion 필드는 왜 양성자와 중성자 사이의 대부분의 상호 작용이 왜 앞뒤로 실행되어“강한 CP”문제를 해결하는지 설명 할 것입니다. 그리고 axions는 암흑 물질을 만들 수 있습니다. 계층 구조 문제를 해결하는 것은 세 번째 인상적인 업적입니다.
새로운 모델의 이야기는 우주가 에너지가 주입 된 도트 일 때 시작됩니다. Axion 매트리스는 극도로 압축되어 Higgs의 질량이 거대했습니다. 우주가 넓어지면서 마치 새로 창조 된 공간의 샘을 통해 에너지가 퍼지는 것처럼 스프링은 편안했습니다. 에너지가 사라짐에 따라 Higgs Mass도 마찬가지였습니다. 질량이 현재 가치에 떨어지면 관련 변수가 0을 지나서 급락하여 전자 및 쿼크와 같이 이동하는 입자에 질량을 제공하는 당밀과 같은 고체 인 HIGGS 필드를 전환했습니다. 대규모 쿼크는 차례로 Axion 필드와 상호 작용하여 은유 적 언덕에 에너지가 굴러 가고 있음을 만듭니다. Axion 필드가 붙어있었습니다. 그리고 Higgs Mass도 마찬가지였습니다.
Sundrum이 과거 모델에서 급진적 인 휴식이라고 불렀던 것에서, 새로운 것은 현대의 대량 계층 구조가 우주의 탄생으로 어떻게 조각되었는지를 보여줍니다. "그들이 현실적인 의미로 이것에 방정식을 넣었다는 사실은 정말 놀랍습니다."
Dimopoulos는 대부분 미리 확립 된 아이디어를 사용하는 모델의 놀라운 미니멀리즘에 대해 언급했습니다. "계층 구조 문제에 대한 다른 접근법에 상당히 투자 한 나와 같은 사람들은 당신이 멀리 볼 필요가 없다는 것에 매우 기뻤습니다." “표준 모델의 뒤뜰에는 솔루션이있었습니다. 그것을 깨닫는 데 매우 영리한 젊은이들이 필요했습니다.
"이것은 axion의 주가를 상승시킨다"고 덧붙였다. 최근 시애틀에있는 워싱턴 대학교의 Axion Dark Matter 실험은 암흑 물질 축의 드문 변환을 강한 자기장 내부의 빛으로 찾기 시작했습니다. 이제 Dimopoulos는“우리는 그것을 찾기가 더 어려워 보일 것입니다.”
그러나 많은 전문가들과 마찬가지로 뉴저지 주 프린스턴에있는 고급 연구 연구소의 Nima Arkani Hamed는이 제안의 초기에 언급했다. 그는“확실히 영리하다”고 말했다. 예를 들어, Axion 필드가 쿼크에 의해 생성 된 능선에 갇히게되기 위해서는 우주 인플레이션이 대부분의 우주 학자들이 가정 한 것보다 훨씬 느리게 진행되어야합니다. "당신은 100 억 년의 인플레이션을 추가합니다." "모든 우주론이 왜 이런 일을하기 위해 스스로를 마련하는지 궁금해해야합니다."
.그리고 axion이 발견 되더라도, 그 혼자만으로도 그것이“이완”이라는 것을 증명하지 않을 것입니다. Kaplan이 Bay Area에 머무르면서 Graham과 Rajendran은 모델의 해당 측면을 테스트하는 방법에 대한 아이디어를 개발하기 시작했습니다. 예를 들어, 이것이 iggss 질량을 통해 근처의 기본 입자의 덩어리에 영향을 미치는지 확인하는 것과 같이 Axion 필드를 진동하는 것이 가능할 수 있습니다. Graham은“전자 질량이 흔들리는 것을 보게 될 것입니다
이 제안의 테스트는 수년 동안 발생하지 않을 것입니다. (이 모델은 LHC가 감지 할 새로운 현상을 예측하지 않습니다.) 그리고 현실적으로 몇몇 전문가들은 오랜 확률에 직면하고 있다고 말했다. 많은 물리학 자들이 반사적으로 회의적이라는 많은 영리한 제안이 수년에 걸쳐 실패했습니다. 그럼에도 불구하고 흥미로운 새로운 모델은 적시에 낙관론을 전달하고 있습니다.
Sundrum은“우리는 모든 것을 생각했다고 생각했고 태양 아래에 새로운 것은 없었습니다. "이것이 보여주는 것은 인간이 똑똑하고 새로운 혁신의 여지가 여전히 있다는 것입니다."
.편집자 주 :David Kaplan은 Quanta Magazine의 을 주최합니다 이론적으로 비디오 시리즈 .
