過去 1 年間、サンフランシスコのベイエリアで共同研究を行ってきた 3 人の物理学者が、30 年以上にわたって彼らの分野を悩ませてきた謎に対する新しい解決策を考案しました。ますます強力な粒子コライダーでの実験を推進し、物議を醸すマルチバース仮説を生み出したこの深遠なパズルは、聡明な 4 年生が疑問に思うかもしれないことになります。 /P>
星や銀河の動きを支配しているにもかかわらず、重力は、磁気やその他の微視的な自然の力よりも数億倍も弱いものです。この不一致は、2012 年に発見された他の既知の粒子に関連する質量と力を制御する粒子であるヒッグス粒子の質量と、まだ発見されていない重力の予想される質量範囲との間の同様にばかげた差として物理方程式に現れます。
ヨーロッパの大型ハドロン衝突型加速器 (LHC) から、このばかげた質量階層を説明するために以前に提案された理論のいずれかを支持する証拠がないため、魅惑的にエレガントな「超対称性」を含め、多くの物理学者は自然の法則の論理そのものを疑うようになりました。彼らはますます、私たちの宇宙が無数の可能性のある他の宇宙の間のランダムでかなり奇妙な順列である可能性があることを懸念しています。
今月、LHC は以前のほぼ 2 倍の動作エネルギーで熱望されていた 2 回目の実行を開始し、階層問題を解決する新しい粒子または現象の追求を続けました。しかし、角を曲がったところに新しい粒子が存在しないという非常に現実的な可能性により、理論物理学者は「悪夢のシナリオ」に直面しています。また、考えさせられました。
「新しいアイデアが開発されるのは、危機の瞬間です」と、LHC を収容するジュネーブ近郊の CERN 研究所の理論素粒子物理学者である Gian Giudice 氏は述べています。
新しい提案は、前進する可能性のある方法を提供します。このトリオは「非常に興奮している」と、メリーランド州ボルチモアにあるジョンズ・ホプキンズ大学の理論素粒子物理学者であるデビッド・カプラン (46 歳) は述べた。 32、カリフォルニア大学バークレー校。
彼らの解決策は、重力と他の基本的な力との間の階層を、宇宙の爆発的な誕生までさかのぼります。彼らのモデルが示唆するように、タンデムに進化していた 2 つの変数が突然行き詰まりました。その瞬間、「アクシオン」と呼ばれる仮説上の粒子が、ヒッグス粒子を重力のスケールよりはるかに低い現在の質量に閉じ込めました。アクシオンは 1977 年以来、理論方程式に登場しており、存在する可能性が高いと考えられています。しかし、ヒッグス質量の値を「緩和」することでヒエラルキー問題を解決するアクシオンが、トリオが「緩和」と呼んでいるものである可能性があることに、これまで誰も気づいていませんでした。
メリーランド大学（カレッジパーク）の理論素粒子物理学者で、開発には関わっていない Raman Sundrum は、「非常に賢いアイデアです」と述べています。 「おそらく、世界の仕組みのいくつかのバージョンです。」
カリフォルニア大学サンタ校の理論物理学者であるナサニエル・クレイグ氏によると、このトリオの論文がオンラインに掲載されてから数週間で、その弱点を修正し、その基本的な前提を別の方向に向けようとする研究者が集まった「新しい遊び場」が開かれました。バーバラ。
「これは非常に単純な可能性のように思えます」とラジェンドランは言いました。 「私たちはここでクレイジーなことをするために頭を抱えているわけではありません。働きたいだけです。」
ただし、何人かの専門家が指摘しているように、現在の形では、このアイデアには慎重に検討する必要がある欠点があります。そして、この精査に耐えたとしても、実験的にテストするには10年以上かかる可能性があります.当面の間、緩和は長年の見方を揺るがし、一部の物理学者はヒエラルキーの問題を新たな観点から見るようになっている、と専門家は述べた。教訓は、カリフォルニア大学サンタクルーズ校の物理学者であり、階層問題のベテランである Michael Dine 氏によると、「ただあきらめて、それを理解することはできないだろうと想定することではない」
不自然なバランス
素粒子物理学の「標準モデル」を完成させ、ピーター・ヒッグスとフランソワ・エングラートに 2013 年のノーベル物理学賞をもたらした 2012 年のヒッグス粒子の発見にまつわる騒ぎは、さほど驚くものではありませんでした。粒子の存在と測定された 125 ギガ電子ボルト (GeV) の質量は、長年にわたる間接的な証拠と一致しました。専門家を困惑させたのは、LHC で発見されなかったものです。 10,000,000,000,000,000,000 GeV という実験的な到達範囲を超えている、重力に関連する予測された質量スケールとヒッグス質量を一致させることができるものは何も示されませんでした。
「問題は、量子力学では、すべてが他のすべてに影響を与えるということです」と Giudice は説明しました。超重重力状態はヒッグス粒子と量子力学的に混ざり合い、その質量の値に大きな要因をもたらすはずです。しかし、どういうわけか、ヒッグス粒子は最終的に軽量になります。その質量に影響を与えるすべての巨大な要因 (正のものもあれば負のものもあるが、すべて数十桁) が魔法のように相殺され、非常に小さな値が残されているかのようです。これらの要因の信じられないほど微調整されたキャンセルは「疑わしい」とジュディツェは言いました. 「あなたは、その背後に何か他のものがあるに違いないと考えています。」
専門家はよく、微調整されたヒッグス質量を、空気の流れやテーブルの振動などの強力な力によって、何らかの形で完璧なバランスを保っている鉛筆の先に立てた鉛筆と比較します。それは不可能な状態ではありません。可能性が非常に低い状態です」と、スタンフォード大学の Savas Dimopoulos 氏は述べています。そのような鉛筆に出くわした場合、彼は、「まず、鉛筆の上に手を動かして、天井からそれを保持している紐がないかどうかを確認します。 [次] 先端にチューインガムがあるかどうかを確認します。」
物理学者は、1970 年代以降、同様に階層問題の自然な説明を求めてきました。その探索が、銀河に浸透する目に見えない物質である「暗黒物質」の背後にある粒子を明らかにすることでさえ、より完全な自然理論へと彼らを導くと確信しています。 「自然さはまさにその研究のライトモチーフでした」と Giudice は言いました。
1980 年代以降、最も人気のある提案は超対称性でした。これは、素粒子ごとにまだ発見されていない双子を仮定することによって、階層の問題を解決します。電子については、仮想の「セレクトロン」、各クォークについては「スクォーク」などです。双子はヒッグス粒子の質量に反対の項を与え、超重重力粒子の影響を受けないようにします (双子の効果によって無効になるため)。
しかし、2010 年から 2013 年にかけての LHC の最初の実行では、超対称性や競合するアイデア (「テクニカラー」や「ゆがんだ余分な次元」など) の証拠は見つかりませんでした。単一の「粒子」または標準モデルを超えた物理学のその他の兆候により、多くの専門家は、完全な代替案を検討することをもはや避けられないと感じました.ヒッグス質量が自然界の法則に反しているとしたら?計算によると、ヒッグス粒子の質量がほんの数倍重く、他のすべてが同じままである場合、陽子はもはや原子に集合できず、複雑な構造は存在せず、星や生物は存在しない.では、私たちの宇宙が、鉛筆の先で釣り合いをとったように偶然に微調整され、永遠に泡立つ「多元宇宙」の海の中にある想像を絶するほど膨大な数の泡の宇宙から私たちの宇宙アドレスとして選ばれたとしたらどうでしょうか。事故が存在する？
この多元宇宙仮説は、1990 年代後半からヒエラルキー問題の議論に浮かび上がってきましたが、ほとんどの物理学者から暗い見通しと見なされています。 「どうしたらいいのかわからない」とクレイグは言った。 「私たちはルールが何であるかを知りません。」多元宇宙の他の泡が存在する場合、光通信の境界を越えて存在し、多元宇宙に関する理論は、孤独な泡の中から観察できるものに永遠に制限されます.私たちのデータポイントが多元宇宙の広大な可能性のどこにあるのかを知る方法がないため、なぜ私たちの宇宙がそのようになっているのかについて、多元宇宙に基づく議論を構築することは困難または不可能になります. 「どの時点で納得できるかわかりません」とダインは言いました。 「どうやって解決するの？どのようにして知ることができますか?」
ヒッグスと緩和
カプランは昨年の夏、グラハムとラジェンドランと協力するためにベイエリアを訪れました。グラハムとラジェンドランは、3 人全員が超対称性の重要な開発者の 1 人であるディモプロスの下でさまざまな時期に働いていたため知っていました。過去 1 年間、トリオはバークレーとスタンフォード、そして両キャンパスに隣接するさまざまなコーヒー ショップ、ランチ スポット、アイスクリーム パーラーの間で時間を分け合い、「アイデアの初期段階の断片」を交換し、グラハム氏は次のように述べています。素粒子物理学の法則
ラリー・アボットが 1984 年に物理学における別の自然性の問題に対処しようとした試みに着想を得て、彼らはヒッグス質量を進化するパラメーターとして再構築しようとしました。これは、宇宙が誕生するのではなく、宇宙の誕生時にその小さな値に動的に「緩和」できるものです。固定された、一見ありそうもない定数として。 「6 か月間の行き詰まり、非常にばかげたモデル、非常にバロックで複雑なものでしたが、最終的にこの非常に単純な図にたどり着きました」と Kaplan 氏は言います。
彼らのモデルでは、ヒッグス質量は、空間と時間に浸透する仮想場、つまりアクシオン場の数値に依存します。それを想像するために、「私たちは空間全体をこの 3D マットレスと考えています」と Dimopoulos 氏は言います。フィールドの各ポイントの値は、マットレス スプリングがどれだけ圧縮されているかに対応します。このマットレスの存在とアクシオンの形でのその振動が 2 つの深い謎を解決できることは、長い間認識されてきました。まず、アクシオン場は、陽子と中性子の間のほとんどの相互作用が順方向と逆方向の両方で行われる理由を説明し、知られていることを解決します。 「強力なCP」の問題として。そして、アクシオンは暗黒物質を構成する可能性があります。ヒエラルキーの問題を解決することは、3 つ目の印象的な成果です。
新しいモデルの物語は、宇宙がエネルギー注入されたドットだったときに始まります。アクシオンのマットレスは非常に圧縮されていたため、ヒッグス質量は巨大になりました。宇宙が膨張するにつれて、エネルギーが新しく作られた空間の泉を通して広がっているかのように、泉が緩みました。エネルギーが散逸するにつれて、ヒッグス質量も散逸しました。質量が現在の値まで低下すると、関連する変数がゼロを超えて急降下し、ヒッグス場がオンになりました。ヒッグス場は、電子やクォークなど、中を移動する粒子に質量を与える糖蜜のような実体です。次に、巨大なクォークがアクシオン場と相互作用し、そのエネルギーが転がり落ちていた比喩的な丘に尾根を作りました。アクシオンフィールドが動かなくなった。ヒッグス質量も同様です。
Sundrum が過去のモデルからの急進的なブレークと呼んだもので、新しいモデルは、現代の大衆ヒエラルキーが宇宙の誕生によってどのように形作られたかを示しています。 「現実的な意味で方程式を立てたという事実は、本当に驚くべきことです」と彼は言いました。
Dimopoulos は、モデルの印象的なミニマリズムについて述べました。これは、ほとんど既成のアイデアを採用しています。 「ヒエラルキーの問題に対するこれらの他のアプローチにかなりの投資をしてきた私のような人々は、あなたが遠くを見る必要がないことに非常に喜んで驚いていました」と彼は言いました. 「標準モデルの裏庭には、解決策がありました。それを実現するには、非常に賢い若者が必要でした。
「これにより、アクシオンの株価が上昇します」と彼は付け加えました。最近、シアトルのワシントン大学の Axion Dark Matter eXperiment は、強力な磁場内での暗黒物質アクシオンの光へのまれな変換を探し始めました。さて、ディモプロスは、「それを見つけるためにもっと一生懸命探すべきだ」と言いました.
しかし、多くの専門家と同様に、ニュージャージー州プリンストンにある高等研究所のニマ・アルカニ・ハメド氏は、この提案はまだ始まったばかりだと述べています。 「間違いなく賢い」と彼は言いましたが、現在の実装はとてつもないものです。たとえば、アクシオン場がクォークによって作成された尾根を通過するのではなく、尾根に引っかかっているためには、宇宙のインフレーションは、ほとんどの宇宙学者が想定しているよりもはるかにゆっくりと進行したに違いありません. 「100億年分のインフレを加える」と彼は言った。 「なぜこれを実現するためだけに宇宙論全体が調整されているのか不思議に思う必要があります。」
仮にアクシオンが発見されたとしても、それだけではそれが「緩和」であるとは証明されません — それがヒッグス質量の値を緩和するということです。カプランのベイエリアでの滞在が終わりを告げる中、彼、グラハム、ラジェンドランは、モデルのその側面をテストする方法についてアイデアを練り始めています。最終的には、アクシオン場を振動させて、ヒッグス質量を介して、これが近くの素粒子の質量に影響を与えるかどうかを確認することが可能になるかもしれません。 「電子の塊が小刻みに揺れるのを見るでしょう」とグラハムは言いました。
提案のこれらのテストは、何年もの間行われません。 (このモデルは、LHC が検出するような新しい現象を予測するものではありません。) そして、現実的には、何人かの専門家は、それは長い可能性に直面していると述べています。何年にもわたって非常に多くの巧妙な提案が失敗したため、多くの物理学者は反射的に懐疑的です。それでも、興味深い新しいモデルは、タイムリーな楽観主義をもたらしています.
「私たちはすべてを考え尽くしたと思っていましたが、太陽の下で新しいものは何もありませんでした」とサンドラムは言いました. 「これが示しているのは、人間は非常に賢く、新しいブレークスルーの余地がまだあるということです。」
編集者注:David Kaplan が Quanta Magazine のホストを務めます In Theory ビデオ シリーズ .
