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天体物理学における最大の未解決問題の 1 つは、暗黒物質の存在です。 1930 年代以来、この謎の物質が何度も宇宙に重力を及ぼしていることが証明されてきました。暗黒物質は宇宙の全物質の 75% を構成すると推定されており、ビッグバン以前にも存在していた可能性があります。暗黒物質がなければ、銀河は自らの回転力によって引き裂かれ、宇宙望遠鏡で観測されアルバート・アインシュタインが予言した重力レンズは不可能となり、「宇宙の網」の構造は崩壊するだろう。それは明らかに私たちの宇宙の重要な特徴であり、それがダークマターの捉えどころのない性質が非常にイライラさせる理由です。ありがたいことに、一世紀にわたる探索を経て、科学者たちはついに宇宙で最も豊富な種類の物質の特定に焦点を当てているかもしれません。
2021年、ヨーロッパの理論物理学者のチームは、「フェルミオン暗黒物質への歪んだスカラーポータル」と題する論文をヨーロッパ物理ジャーナルに発表した。この論文は、フェルミオンと呼ばれる次元を移動する粒子を時空モデルに組み込むことで暗黒物質を説明できるという1999年の提案に基づいて構築された。数学は複雑ですが、最も基本的なレベルでは、これらの理論上のフェルミオンが 5 次元の「歪んだ空間」ポータルを通って出入りし、銀河の重力場に影響を与える可能性があります。このモデルは、暗黒物質に起因すると考えられる現象を説明できるでしょう。
理論を検証する上で最大の障害となるのは、こうした「高次元粒子」の観測の難しさだ。 5 次元の間を移動するフェルミオン暗黒物質は、正確には鋭い目で見ることができるものではありません。しかし、まだ希望はあります。現代の物理学者は、時空の波紋を観察するために使用できる重力波検出器の構築において大きな進歩を遂げました。このような機器は、次元を超えたフェルミオンを検出し、その挙動が暗黒物質を説明できるかどうかを判断できる可能性があります。
5 次元は物理学の最大の謎を解決する可能性があります
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フェルミ粒子は暗黒物質の最良の候補ですのでです。 問題。フェルミオンは、陽子、中性子、電子、およびそれらの対応物など、私たちが通常質量を持つと考えるすべてのものを包含する粒子のクラスです。そして質量とともに重力が生じます。 2012年、CERNの科学者らは、ヒッグス粒子が実在するという画期的な発見を発表し、質量がフェルミオン粒子とヒッグス場との相互作用から生じることを証明した。この発見は、科学者に重力の量子理論への一歩以上のものを提供しました。また、5 次元の存在も示唆しました。
複雑な理論物理学の雑草に入ることなく、ヒッグス粒子の確認は虫の缶を開けました。その発見は反駁の余地のないものでしたが、同時に素粒子物理学の標準モデルの穴も明らかにしました。このような穴の 1 つは、ヒッグス場の挙動の特定の特徴を説明するものであり、額面通りに受け取ると、4 つの基本的な力と素粒子物理学の標準モデルに反するように見えます。多くの物理学者はこの格差を是正しようと努めました。そのためには、標準モデルに 5 次元を導入する必要がありました。保存活動家は、ヒッグス場の挙動は実際には高次元を通じて作用する弱い力の結果であると提案しています。
これまでのところ、私たちが知っている 4 つの次元 (空間の 3 次元と時間の 1 次元) を超える次元は証明されていません。それにもかかわらず、4 番目の空間次元の証明は、暗黒物質を含む物理学における多くの未解決の問題を解決する可能性があります。たとえば、なぜ重力が非常に弱いのか、なぜ重力結合が因果関係の速度（つまり光の速度）に反しているように見えるのか、そしてなぜ渦巻銀河が星を大いなる彼方に飛ばさないのかを説明できるかもしれない。このような新事実は、私たちの物理学への理解に革命をもたらす可能性があるため、私たちは次世代の重力波検出器がそれを解明するのを待ち続けることになります。
ある科学チームが自信を持って 5 次元を提案した方法
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研究論文を「フェルミオン暗黒物質への歪んだスカラーポータル」と呼ぶには、実証するためにいくつかの本格的な数学的証明が必要です。 2021年、この論文を執筆した欧州チームは、5次元がどのようにして存在し得るのか、そしてより緊急なこととして、巨大なフェルミオン粒子がどのように潜在的にそこを通過することができるのかについて、確固たる説明を提示した。多くの理論物理学と同様に、証明にはこれまでに考えられた最も高度な検証手順のいくつかが必要になりますが、その中にはまだ発明されていないものもあります。実際、理論を確認するには、これまで実験物理学が触れたことのない、まったく未確認の次元の証明が必要になるでしょう。
論文によると、この新しく提案されたスカラー場は、簡単に言うとフェルミオンを吸い上げ、ほぼ瞬間的に散発的に5次元の場所に運ぶという「興味深い」挙動を示すという。このような次元間のランダムなずれは、銀河中心がどのようにより大きな重力を経験するかを説明できる可能性があります。ランダムな場所に巨大な粒子が突然出現すると、たとえその出現が非常に短かったとしても、周囲の物質に短時間の小さな重力が作用する可能性があります。著者らは、そのような粒子を、四次元の因果関係（つまり、光の速度）の制約に制限されない暗黒物質の「作者」であると説明しています。
残念なことに、5 次元を介して時空を越えてテレポートする粒子を検出するのは非常に困難です。 5 次元により、粒子が時空の因果関係の制約に従うことなく空間次元を移動できる場合、粒子の突然の出現と消滅は事実上幽霊のようになるでしょう。したがって、この提案は、これまでに考えられた中で最も高感度の粒子検出器なしでは確認することがほぼ不可能な難問を提起しています。私たちは非常に精密な理論物理学の時代にいるかもしれませんが、寸法滑り粒子は、当面は私たちの実験能力をはるかに超えています。
