10 년 전 LHC (Large Hadron Collider)의 개통 이전에 앞서는 기대를 과장하기는 어렵습니다. LHC는 이전 입자 가속기에서 생산 된 것보다 훨씬 위에있는 에너지에서 양성자를 함께 부수는데, LHC는 이론적 물리학 자들의 가장 환상적인 추측을 컬링 된 여분의 차원에서 미세한 블랙홀에 이르기까지 우리가 알고있는 입자를 반영하는 새로운 입자의 숨겨진 영역에 이르기까지 가장 환상적인 추측을 입증 할 수있는 것처럼 보였다.
10 년이 지난 지금, 입자 물리학 자들은 당시 일부 사람들이“악몽 시나리오”라고 불리는 것을 발견했습니다. 2012 년 HIGGS의 승리의 발견은 1960 년대에 도입 된 입자 물리학의 표준 모델과 함께 4 가지 기본 힘 중 세 가지 기본력 (중력이 예외)을 설명하는 입자 질량의 생성에 대한 이론적 개념을 확인했습니다. 지금까지 LHC에 새로운 물리학이 없다는 것은 1960 년대와 70 년대 이후 발전된 표준 모델 이외의 물리학에 대한 많은 투기 아이디어에 대한 스 너브로옵니다. 이 개발 (LHC의 향후 분석에 의해 전복 될 수있는이 개발은 자연스런 원리라는 현대 기본 입자 물리학에서 중심 아이디어의 상태에 대한 논의를 불러 일으켰으며, 이는 표준 모델 이외의보다 근본적인 패턴의 실험적 힌트로 사용되었다는 전념의 기초가된다.
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과학의 대부분의 수학 이론과 마찬가지로 표준 모델의 예측은 이론 매개 변수로 알려진 특정 고정 수량의 값에 따라 다릅니다. 매개 변수 값을 변경하면 일반적으로 이론의 예측을 변경합니다. 기본 입자 물리학에서 자연은 가장 일반적으로 "미세 튜닝"에 대한 금지로 이해됩니다. 자연성은 표준 모델의 매개 변수의 허용 값을 표시 할 수있는 미세 튜닝의 양을 제한합니다. 이론이 관찰에 동의하기 위해 많은 미세 조정이 필요한 경우, 부자연스럽지 않은 것으로 간주됩니다.
자연에 대한 논쟁은 표준 모델이 공식화되는 수학적 및 개념적 프레임 워크 인 양자 필드 이론 (QFT)에서 오랜 역사를 가지고 있습니다. QFT에서, 우주의 각 지점에서의 전자기장과 같은 광범위한 배경 필드의 값은 명확한 값은 없지만 필드의 다른 값에 대한 확률을 반영하는 중첩에만 존재한다. 고전적인 필드 (음파와 같은)에서 진동의 에너지는 우리가 원하는만큼 크거나 작을 수 있지만, 양자 장의 진동 에너지는 최소 값을 갖습니다. 양자 장에서 이러한 최소한의 교란은 우리가 기본 입자로 알고있는 것입니다.
불행하게도, 우리가 순진하게 QFT를 사용하여 일부 프로세스의 확률 (예 :Higgs Boson의 생산)의 확률을 계산하면 무의미하고 무한한 예측을 생성합니다. 이 문제를 해결하기 위해, QFT의 발명가들은 재 정규화로 알려진 이론에서 유한 한 예측을 추출하기위한 영리하지만 수학적으로 모호한 트릭을 고안했다. 비결은 QFT에서 QFT의 순진한 응용에서와 같이 무한한 예측을 생성하는 유한 매개 변수 중 하나와 유한 예측을 생성하는 무한 매개 변수 중에서 선택할 수 있음을 인식하는 것입니다. "Bare"매개 변수로 재충전 된 이러한 매개 변수를 선택함으로써 Infinite는 실험과 현저하게 일치하는 QFT에서 유한 예측을 추출 할 수 있습니다. 그러나 재 정상화는 건전한 수학적 근거가없는 임시 해킹으로 널리 알려져 있었고, QFT의 많은 발명가들은 계속해서이를 의심으로 간주했습니다. 그것들은 무한대 였기 때문에, 베어 매개 변수는 원래 자연에서 아무것도 설명하지 않는 단순한 수학적 장치로 간주되었습니다.
1970 년대에 케네스 윌슨 (Kenneth Wilson)은 QFT에서 무한도를 제거하는 재 정규화에 대한 새로운 접근법을 공식화했습니다. 그의 접근 방식은 결정 및 반도체와 같은 복잡한 많은 입자 시스템과 관련된 응축 물질 물리학에서 영감을 얻었습니다. 응축 된 물질 시스템은 종종 입자 물리학의 QFT와 유사한 방식으로 설명 될 수있다. 왜냐하면 고체에서 원자의 진동이 집합 적으로 필드로 설명 될 수 있기 때문이다. 그러나, 인접한 원자 사이의 거리는 최소 파장을 설정하기 때문에, 이들 재료에서 전파 될 수있는 진동 에너지의 상한이있다. 윌슨은 기본 입자 물리학의 QFT 모델도 마찬가지로 고 에너지 "컷오프"까지 진동 에너지 만 포함하도록 정의 될 것이라고 제안했다. QFT의 무한은 임의로 높은 에너지의 진동을 설명하려는 시도에서 비롯되기 때문에 컷오프를 도입하면 이론의 예측과 그 매개 변수의 유한 값이 허용됩니다.
윌슨의 연구에 대한 한 가지 해석은 입자 물리학과 응축 물질 이론의 비교적 의미에서 유추를 이해한다. 이 해석에 따르면, QFT의 "기본 매개 변수"로 알려진 QFT 모델의 베어 매개 변수에 대한 단일의 실제 값 세트가 있으며, 이는 규산에 원자 간 상호 작용에 대한 자세한 설명이 해당 시스템의 실제 미세 설명을 제공한다는 의미에서 양자 필드의 올바른 "미세한"설명을 제공합니다. 대조적으로, Higgs Boson Mass와 같은 가속기에서 측정 된 수량 또는 Higgs Boson을 생산할 확률은 기온과 밀도와 같은 양이 고체에 대한 거친 거시적 묘사를 제공하는 방식으로 "거시적"수준의 설명에 속합니다.
.그러나 QFT에 대한 Wilson의 접근 방식을 이해하는이 특별한 방법은 나중에 LHC에서 측정 된 Higgs Boson Mass의 125 GEV 가치에 문제가있었습니다. 이 문제는 1979 년 Leonard Susskind에 의해 원래 Higgs 질량의 가치가 2012 년에 실험적으로 확인되기 전에 설명했습니다. 표준 모델에서, Higgs 질량의 예측 된 실험적 측정 값은 Bare Higgs 질량 매개 변수의 합으로 계산됩니다. 그리고 다른 입자. 이러한 수정은 다른 표준 모델 매개 변수에 대한 양자 수정보다 컷오프 값이 증가함에 따라 훨씬 더 빠르게 증가하기 때문에 Higgs 질량의 측정 된 값을 복구하려면 베어 HIGGS 질량과 양자 수정 사이의 비정상적으로 섬세한 취소가 필요합니다. 이러한 매개 변수에 대한 모든 가능한 값의 세트에서 기본 베어 매개 변수에 대한 값 세트를 무작위로 선택한다고 생각하는 경우, 선택한 매개 변수가 필요한 취소를 나타내지 않을 가능성이 거의 없습니다. 불가능하고 미세 조정 된 매개 변수 값 세트 만 작동합니다. 컷오프가 클수록 미세 조정이 필요합니다.
마치 마치 우리가 어두운 표면에 소량의 모래를 던져 알버트 아인슈타인의 유명한 이미지에 명령 된 알버트 아인슈타인이 혀를 내밀고 있음을 발견했습니다. 우연히 발생하는 그러한 구성 가능성은 천문학적으로 작기 때문에, 우리는 더 깊은 근본적인 설명을 기대합니다. 예를 들어, 곡물에는 철이 포함되어 있으며 표면 아래에 자석이 있습니다. 소수의 곡물이 많을수록 아인슈타인의 이미지와 유사한 배열은 모든 곡물의 가능한 총 배열 수의 훨씬 적은 부분이기 때문에 이것은 무작위 우연의 문제로 더 가능성이 높습니다. 따라서 모래 곡물에 아인슈타인의 이미지가 등장하면 더 많은 입자가있을수록 더 시급하게 설명합니다. 유추적으로, Bare Higgs 질량과 양자 수정 사이의 섬세한 취소를 요구하는 Higgs 질량의 측정 된 값은 설명을 위해 더 긴급하게 요구되므로 표준 모델의 컷오프가 클수록.
.미세 조정의 필요성을 피하기 위해, 물리학 자들은이 컷오프가 LHC가 조사한 비교적 낮은 범위의 에너지에 있어야한다고 예측했다. 10 년 후, 그러한 새로운 물리학이 지속적이지 않으면 표준 모델 컷오프가 1000 GEV 이상 어딘가에 있는데, 이는 이미 많은 물리학자가 수용 할 수있는 것보다 더 미세 조정이 필요합니다. 표준 모델에서 미세 조정이 필요하다는 것은 이제 QFT가 이론의 기본 매개 변수에 대한 고안된 또는 미세 조정 된 값 선택에 의존한다는 의미에서 부자연 스럽다는 것을 암시하는 것으로 생각됩니다.
.현재 상황에 대한 한 가지 견해는 LHC의 결과가 표준 모델에서 미세 조정의 필요성을 받아 들여야하며, 이는 아직 알려지지 않은 이론에 의한보다 근본적인 이론에 의해 설명을 요구한다는 것입니다. 이것은 Cern Theory Group의 책임자 인 Gian Giudice의 위치 및 Particle Physics Community의 다른 많은 구성원이며, 미세 조정은 표준 모델 이외의 이론에 의한 해결이 필요한 실제 문제로 남아 있습니다.
.또 다른 가능성은 베어 매개 변수의 미세 조정에 대한 금지로 이해되는 자연성 원리가 포기되어야하며, 베어 HIGGS 질량의 미세 조정을 피하거나 설명하려는 시도는 표준 모델을 넘어 물리 탐색의 초점이 훨씬 적어야한다는 것입니다. 이 견해는 물리학 자 Christof Wetterich, Eugenio Bianchi, Carlo Rovelli 및 Sabine Hossenfelder 및 수학자 Peter Woit를 포함하여 소수의 저명한 목소리에 의해 방어되었습니다. 이 논란의 여지가있는 제안은 지난 40 년 동안 이론적 입자 물리학에서의 많은 작업이 흔들리는 형이상학 적 추측에 전제되었음을 암시한다. 이 견해의 근본적인 영향에도 불구하고, LHC에 새로운 물리학이 없으면 강력한 가능성으로 열립니다.
자연이 잘못 안내되면 어디에서 길을 잃게됩니까? 최근 Hossenfelder가 강조한 잠재적 인 약점 중 하나는 일부 표준 모델 매개 변수 값이 다른 표준 모델보다 "가능성이 높다"는 가정입니다. 그녀는 표준 모델의 매개 변수가 고정되어 한 번만 우리에게 주어지기 때문에 코인 랜딩 헤드의 확률을 추정하는 방식 으로이 확률을 추정 할 수 없다고 주장합니다. 기본 베어 매개 변수 공간에 대한 확률 분포가 어떻게 결정되는지 알려주는 것이 없기 때문에 표준 모델의 매개 변수가 어떻게 든 가능하지 않거나 미세 조정 될 수 없다는 걱정은 공식화 될 수 없습니다. 따라서 Hossenfelder는 Higgs 질량의 미세 조정에 대해 걱정하지 않거나 물리적 이론의 자연을 추구해서는 안된다고 제안합니다.
자연성에 대한 또 다른 우려는 1980 년대에 재정지 이론의 선구자 인 Wetterich에 의해 명확 해졌다. Wetterich의 관점에서, Higgs Bare Mass와 Quantum Corrections 사이의 섬세한 취소는 신비한 우연의 일치 또는 근본적인 음모를 반영하기보다는 Higgs Boson Mass를 계산하기로 선택한 인공 부산물입니다. Wetterich는 취소가없는 다른 규칙을 선택할 수 있으므로 걱정하지 말아야한다고 주장합니다. 보다 최근에는 비안 치와 로벨리가 유명한 우주론 상수 문제와 관련하여 비슷한 태도를 옹호했는데, 이는 Higgs Naturalness 문제와 밀접한 관련이 있습니다.
.2016 년부터 공동 작업자 Robert Harlander와 저는 자연과 미세 조정에 관한 토론을 연구 해 왔습니다. 우리가 찾은 것은 Wetterich의 주장은 Susskind의 많은 해석에서 맨 매개 변수의 실제 물리적 값이 있다는 가정을 암시 적으로 분배하는 것처럼 보인다는 것입니다. 대신, Wetterich의 주장은 정확히 동일한 예측을 생성하는 베어 매개 변수에 대한 뚜렷하고 물리적으로 동등한 값의 선택이 많이 있다고 가정하며, 이론의 "참"또는 "기본"베어 매개 변수가 무엇인지에 대한 사실에 관계없이.
.이러한 관점에서, 베어 iggss 질량과 양자 교정 사이의 섬세한 취소는 로스 앤젤레스의“hollywood”표지판과 거리의 차이를 취함으로써 자연사 박물관에서 뉴욕의 대도시 미술관까지의 거리를 계산할 때 발생하는 취소와 더 유사하게 나타납니다. 여기서 Higgs의 경우와 같이 두 숫자의 차이는 훨씬 적습니다. 그러나 우연의 일치 나 미세 조정이 없습니다. 섬세한 취소는 단지 불편한 기준점의 인공 부산물 일 뿐이며 센트럴 파크의 중간과 같은 대안 선택에 의해 쉽게 제거 될 수 있습니다. HIGGS 질량의 경우, 베어 HIGGS 질량과 양자 보정 사이의 섬세한 취소는 임의로 선택된 특정 비 물리적 척도 매개 변수의 값과 관련된 다른 기준점을 선택함으로써 유사하게 제거 될 수 있습니다.
.기본 매개 변수의 개념을 불러 일으키는 자연 기반 주장의 타당성은 QFT의 물리적으로 실제 내용에 대한 질문에 달려 있습니다. 표준 모델의 베어 매개 변수에 대한 단일 값 세트가 시스템의 "참"기본 설명을 제공한다는 개념을 포기하는 주요 주장은 표준 모델의 성공적인 예측을 생성하고 수학적으로 건전한 방식으로 이론을 정의하는 데 불필요하다는 것입니다.
.어떤 의미에서, 기본 매개 변수의 개념을 포기하는 선택은 아인슈타인의 특수 상대성 이론에서 어떤 물체가 휴식을 취하고 있는지에 대한 사실의 절대적인 문제가 있다는 가정을 포기하기위한 선택과 유사합니다. 두 경우 모두, 우리는 다른 참조 포인트 또는 좌표계가 물리적으로 정확하거나 실제인지에 대한 물리적 문제가 있다는 생각을 흘렸다. 실제적으로 간주되는 것은 임의의 기준점에 의존하지 않는 수량입니다.
표준 모델 이외의 물리학을 설명하는 이론 중 오랫동안 후보자 인 초대칭은 HIGGS 질량 계산에서 섬세한 취소 문제를 치료하는 능력에 기초하여 자주 방어되었다. 이것이 초대칭의 미덕으로 간주되는 정도는 이러한 섬세한 취소가 특히 긴급한 결의안의 필요성에 있어야하는 정도에 달려있다. 기본 매개 변수의 개념을 흘리면 그들이 그렇지 않을 가능성이 높아집니다.
자연성 원칙의 타당성에 대한 토론에서 위험에 처한 것은 물리학 자들이 더 깊고 보편적 인 이론을 찾아야한다는 개념이 아니라, 널리 받아 들여지는데, 이는 널리 받아 들여지는데, 오히려 iggss 대중과 관련된 섬세한 취소는 신비한 일치를 구성하며, 이러한 취소를 설명하는 것은 표준 모델에 대한 주요 초점이어야한다는 개념입니다. 입자 물리 커뮤니티가 표준 모델의 친숙한 범위로부터 자리 매김 할 수 없을 정도로, 자연성 원리에 의해 예측 된 LHC 데이터의 새로운 물리가 없으면 실망스럽고 반 임시 적입니다. 그러나 양자 필드 이론의 수학적 및 개념적 기초를 계속 괴롭히는 많은 어려움을 감안할 때, 진보로가는 길은 우리가 이미 알고있는 이론에 대한 깊은 이해를 추구하는 데 부분적으로있을 것입니다.
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Joshua Rosaler는 RWTH Aachen University의 이론적 입자 물리 및 우주 연구소의 연구원이며“LHC의 인식론”협력 회원입니다. 그는 옥스포드 대학교에서 박사 학위를 취득하여 클라렌 든 학자였습니다.
저자는 를 인정하기를 원합니다 LHC의 인식론 연구 부서는 회원입니다.
리드 포토 콜리지 :General-FMV / ILAB / ShutterStock.
