銀河は原子よりも大きく見え、象はアリよりも重いように見えるが、一部の物理学者は、サイズの違いは幻想であると疑い始めている.おそらく、宇宙の基本的な記述には「質量」と「長さ」の概念が含まれておらず、その核心において、自然にはスケール感が欠けていることを暗示しています。
スケール対称性として知られるこのほとんど研究されていないアイデアは、素粒子がどのようにその特性を獲得するかについての長年の仮定からの根本的な逸脱を構成します。しかし、最近では、尊敬される素粒子物理学者による数多くの講演や論文の共通のテーマとして浮上しています。彼らの分野は厄介な行き詰まりで立ち往生しているため、研究者たちは既知の粒子とその相互作用を記述するマスター方程式に戻り、次のように問いかけています:質量と長さに関係する方程式の項を消去するとどうなるでしょうか?
自然は、最も深いレベルでは、スケールを区別できない場合があります。スケール対称性により、物理学者は、質量のない粒子の集まりを示す基本方程式から始めます。それぞれの粒子は、物質か反物質か、正または負の電荷を持っているかなどの特性の独自の合流点です。これらの粒子が互いに引き付け合い、反発し合い、その相互作用の効果が計算を通じてドミノのようにカスケードされると、スケールの対称性が「破れ」、質量と長さが自然に発生します。
同様の動的効果により、目に見える宇宙の質量の 99% が生成されます。陽子と中性子はアマルガムであり、それぞれがクォークと呼ばれる軽量の素粒子のトリオです。これらのクォークを一緒に保持するために使用されるエネルギーは、各部分の合計の約 100 倍の結合質量を与えます。マドリッド自治大学の素粒子物理学者で共著者の Alberto Salvio は、次のように述べています。スケール対称自然理論に関する最近の論文の説明
素粒子物理学の「標準モデル」の方程式では、2012 年に発見されたヒッグス粒子と呼ばれる粒子だけが最初から質量を備えています。英国の物理学者ピーター・ヒッグスらによって 50 年前に開発された理論によると、他の素粒子との相互作用を通じて、他の素粒子に質量を与えます。電子、W ボソン、Z ボソン、個々のクォークなど:すべての質量はヒッグス ボソンに由来すると考えられています — そして、フィードバック効果で、ヒッグス質量も同時に上下させます。
新しいスケール対称アプローチは、その物語の始まりを書き直します。
イタリアのピサ大学の素粒子物理学者である Alessandro Strumia は、次のように述べています。 「ダイナミクスで理解できます。」
この概念はとてつもないものに思えますが、この分野で広範な自己探求が行われている現在、関心を集めています。ジュネーブの CERN 研究所の大型ハドロン衝突型加速器が 2013 年初頭にアップグレードのために閉鎖されたとき、その衝突は、多くの理論家が 30 年以上にわたって方程式に含めてきた数十個の粒子のいずれも生成できませんでした。グランドフロップは、研究者が粒子の質量を計算する方法を理解する上で、数十年前に間違った方向に進んだ可能性があることを示唆しています.
カリフォルニア大学サンタクルーズ校の物理学教授であるマイケル・ダインは、スケール対称性に関する新しい研究に続いています。 「以前は懐疑的だったかもしれないことを、喜んで楽しませてくれます。」
巨大ヒッグス問題
スケール対称性アプローチは、イリノイ州バタビアにあるフェルミ国立加速器研究所の理論物理学者であるウィリアム・バーディーンが、ヒッグス粒子とその他の標準モデル粒子の質量が自発的スケールの結果として計算できることを示した 1995 年にさかのぼります。対称性の破れ。しかし、当時、バーディーンのアプローチは受け入れられませんでした。彼の計算の微妙なバランスは、暗黒物質と重力の謎を説明するために仮定されたような新しい未発見の粒子を研究者が取り込もうとしたときに、簡単に台無しになるように見えました.
代わりに、研究者は、何十もの新しい粒子を自然に予測する「超対称性」と呼ばれる別のアプローチに引き寄せられました。これらの粒子の 1 つ以上が暗黒物質の原因である可能性があります。また、超対称性は、標準モデルの初期の頃から研究者を悩ませてきた簿記の問題に対する簡単な解決策も提供しました。
計算を行うための標準的なアプローチでは、ヒッグス粒子と他の粒子との相互作用は、方程式に存在する最高のスケールに向かってその質量を上昇させ、他の粒子の質量を引きずり上げる傾向があります。 「量子力学は、すべての人を民主的にしようとしています」と、フェルミ研究所の副所長でバーディーンの共同研究者である理論物理学者のジョー・リッケンは説明しました。 「粒子は、量子力学的効果によって互いに均等になります。」
標準モデルの粒子が話の終わりだった場合、この民主的な傾向は問題になりません。しかし、物理学者は、標準モデルをはるかに超えて、「プランク質量」として知られる約 10 億倍重いスケールで、重力に関連する未知の巨人が存在すると推測しています。これらの重量物は、ヒッグス粒子を肥大化させると予想されます。これは、他のすべての素粒子の質量をプランクスケールまで引き上げるプロセスです。これは起こっていません。代わりに、不自然な階層が軽量の標準モデル粒子とプランク質量を分離しているように見えます.
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バーディーンはスケール対称性アプローチを用いて、標準モデルの質量を、最高スケールに向かって不鮮明にすることを含まない斬新な方法で計算しました。彼の観点からは、軽量のヒッグスは完全に自然に見えました。それでも、プランクスケールの重力効果を計算に組み込む方法は明らかではありませんでした。
一方、超対称性は標準的な数学的手法を使用し、標準モデルとプランク スケールの間の階層を直接扱いました。超対称性は、自然界で発見されたすべての粒子に対して欠落している双子粒子の存在を仮定しています。ヒッグス粒子が遭遇する粒子 (電子など) ごとに、その粒子のわずかに重い双子 (仮想的な「セレクトロン」) にも遭遇する場合、組み合わされた効果はほぼ相殺され、ヒッグス質量が最高スケールに向かって膨らむのを防ぎます。 x + (–x) ≈ 0 の物理的等価物と同様に、超対称性はヒッグス粒子の小さいがゼロではない質量を保護します。この理論は、標準モデルの質量を説明するのに欠落している完璧な要素のように思えました。あまりに完璧すぎて、それがなければ、宇宙はまったく意味をなさないと言う理論家もいます。
しかし、彼らの予測から数十年経った今でも、超対称粒子は発見されていません。 1980 年代初頭に超対称性仮説の開発に貢献したスタンフォード大学の素粒子物理学教授である Savas Dimopoulos は、次のように述べています。 「どういうわけか、ヒッグスは保護されていません。」
LHC は、来年再びスイッチを入れたときに、超対称性の複雑なバージョンを引き続き調査しますが、多くの物理学者は、理論が失敗したことをますます確信するようになりました。ちょうど先月、スペインのバレンシアで開催された高エネルギー物理学国際会議で、LHC からの最大のデータ セットを分析した研究者は、超対称粒子の証拠を発見しませんでした。 (このデータは、「テクニカラー」と呼ばれる別の提案も強く支持していません。)
その影響は計り知れません。超対称性がなければ、ヒッグス粒子の質量は、鏡像効果によってではなく、無関係な数の間のランダムでありそうもない相殺によって減少しているように見えます — 基本的に、ヒッグス粒子の初期質量は、グルオンからのその質量への巨大な寄与を正確に相殺しているようです。クォーク、重力状態、その他すべて。もし宇宙がありそうもないなら、多くの 物理学者は、それは多くの宇宙の 1 つの宇宙であるに違いないと主張しています。私たちがこの特定の泡を観察するのは、その性質が理にかなっているからではなく、その独特のヒッグス粒子が原子の形成を助長し、したがって生命の発生を助長するからです.プランク サイズのヒッグス ボソンを持つより典型的な気泡は、居住できません。
「それはあまり満足のいく説明ではありませんが、そこには多くはありません」とダインは言いました.
一般的な仮定の論理的結論として、多元宇宙仮説は近年、しぶしぶ人気を博してきました。しかし、この議論は、多くの人にとっては非難のように感じられるか、少なくとも大きな失望のように感じられます。偶然の相殺によって形成された宇宙は理解が困難であり、到達不可能な異質な宇宙の存在を証明することは不可能かもしれません。 「そして、理解できないことだけを説明するために多元宇宙仮説を使用するのは、かなり不十分です」と、オックスフォード大学の理論物理学の名誉教授であるグラハム・ロスは言いました。
マルチバースの退屈は永遠に続くことはできません。
「人々は適応を余儀なくされています」と物理学の教授であり、ハイデルベルクのマックス プランク核物理学研究所の所長でもあるマンフレッド リンドナーは述べました。素粒子物理学の基本方程式は、ヒッグス粒子を制御するために特別な何かを必要とし、超対称性はそうではないかもしれません.リンドナーのような理論家は、「私たちが見たことのない大量の粒子を作成せずに、仕事をすることができる別の対称性はありますか?」と尋ね始めました.
レスリングゴースト
Bardeen が中断したところから再開し、Salvio、Strumia、Lindner などの研究者は現在、スケールの対称性がヒッグス粒子の小さな質量を説明するための最良の希望である可能性があると考えています。 「私にとって、実際の計算を行うことは、マルチバースの哲学を行うことよりも興味深いことです」とストルミアは言いました。「たとえこのマルチバースが正しい可能性があるとしても」
スケール対称理論が機能するには、標準モデルの小さな質量と重力に関連する巨大な質量の両方を説明する必要があります。計算を行う通常のアプローチでは、最初に両方のスケールを手で入れ、方程式で接続すると、互いに均等にしようとします。しかし、新しいアプローチでは、両方のスケールが動的に、そして別々に、ゼロから開始する必要があります。
「重力がヒッグス質量に影響を与えない可能性があるという声明は非常に革命的です」とディモプロスは言いました。
Salvio と Strumia によって開発された「agravity」(「adimensionalgravity」の略) と呼ばれる理論は、これまでのところスケール対称性のアイデアの最も具体的な実現である可能性があります。無重力は、ヒッグス質量とプランク質量の両方が別々の動的効果によって発生する単一のまとまりのある図に、すべてのスケールでの物理法則を織り込みます。 Journal of High-Energy Physics で 6 月に詳述されているように、無重力は、そもそもなぜ宇宙が膨張して存在するようになったのかについての説明も提供します。理論によれば、スケール対称性の破れは、ビッグバンの間に時空のサイズの指数関数的拡大を引き起こしたでしょう.
しかし、この理論には、ほとんどの専門家が重大な欠陥と見なすものがあります。それは、「ゴースト」と呼ばれる奇妙な粒子のような実体の存在を必要とすることです。ゴーストは、負のエネルギーまたは負の存在確率を持っています。どちらも、量子世界の方程式に大混乱をもたらします。
「負の確率は、量子力学の確率論的解釈を排除するので、それは恐ろしい選択肢です」と、1977 年に特定の重力理論が幽霊を生み出すことを最初に示した、ロンドンのインペリアル カレッジの理論素粒子物理学者である Kelly Stelle は言いました。そのような理論は、幽霊が何らかの形で他の粒子から切り離され、自分自身を維持する場合にのみ機能するとStelle氏は述べています. 「これらの方針に沿って多くの試みがなされてきました。それは死んだ主題ではなく、むしろ技術的で、あまり喜びがない」と彼は言った.
Strumia と Salvio は、無重力のすべての利点を考えると、幽霊は 2 度目のチャンスに値すると考えています。 「反物質粒子が方程式で最初に考慮されたとき、それらは負のエネルギーのように見えました」とストルミアは言いました。 「彼らはばかげているように見えました。これらの幽霊は無意味に見えるかもしれませんが、賢明な解釈を見つけることができます。」
一方、他のグループは、独自のスケール対称理論を作成しています。リンドナーと同僚は、粒子の新しい「隠れたセクター」を持つモデルを提案しましたが、バーディーン、リッケン、マルセラ・カレナ、フェルミ研究所のマーティン・バウアー、およびカナダのウォータールーにあるペリメーター理論物理学研究所のヴォルフガング・アルトマンショファーは、8月14日の論文で議論しています。標準モデルと重力のスケールが相転移のように分離されていることを論文。研究者たちは、ヒッグス粒子が他の粒子との相互作用を停止し、その質量がゼロになる質量スケールを特定しました。相変化のようなクロスオーバーが発生するのは、このスケールフリーのポイントです。水が氷とは異なる振る舞いをするように、この臨界点の上と下では、さまざまな自己完結型の法則が機能します。
スケールの欠如を回避するために、新しいモデルには、一部の専門家が数学的に疑わしいと考える計算手法が必要です。あまりにも違う、あまりにも新しい。しかし、重力と他のスケール対称モデルはそれぞれ、標準モデルを超えた新しい粒子の存在を予測しているため、アップグレードされた LHC での将来の衝突は、アイデアをテストするのに役立ちます.
その間、希望が再燃する感覚があります。
「たぶん、私たちの数学は間違っています」とダインは言いました。 「代替案が多元宇宙の風景である場合、それはかなり抜本的なステップです。もちろん、他に何があるか見てみましょう。」
