أكبر مشكلة لم يتم حلها في الفيزياء الحديثة: لماذا الجاذبية ضعيفة جدًا؟

أصبح نموذجنا القياسي للجسيمات والتفاعلات الأولية منذ وقت ليس ببعيد كاملًا كما كان يمكن للمرء أن يرغب. تم إنشاء كل جسيم أولي - في جميع أشكاله الممكنة - في المختبر وقياسه وتحديد خصائصه للجميع. سقط الكوارك العلوي الطويل الأمد ، والعلامة القديمة ، تاو نيوترينو ومضاد النيترينو ، وأخيرًا بوزون هيجز ، ضحية لإمكانياتنا.

والأخير ، بوزون هيجز ، حل أيضًا مشكلة الفيزياء القديمة: أخيرًا ، يمكننا أن نوضح من أين تأتي الجسيمات الأولية!



كل شيء رائع ، لكن العلم لا ينتهي عندما ينتهي حل هذا اللغز. بل على العكس ، يطرح أسئلة مهمة ، وأحدها "ماذا بعد؟". بالنسبة للنموذج القياسي ، يمكننا القول أننا ما زلنا لا نعرف كل شيء. وبالنسبة لمعظم الفيزيائيين ، فإن أحد الأسئلة مهم بشكل خاص - لوصفه ، فلننظر أولاً في الخاصية التالية للنموذج القياسي.



من ناحية ، يمكن أن تكون التفاعلات الضعيفة والكهرومغناطيسية والقوية مهمة جدًا ، اعتمادًا على طاقاتها والمسافات التي يحدث فيها التفاعل. ولكن مع الجاذبية ، ليس الأمر كذلك.

إذا قرأت فجأة هذا الكتاب الجميل للمؤلفة ليزا راندال ، فقد كتبت الكثير عن هذا اللغز ، والذي يمكن أن أسميه أكبر مشكلة في الفيزياء النظرية التي لم يتم حلها: مشكلة التسلسل الهرمي .



يمكننا أن نأخذ أي جزيئين أوليين - أي كتلة وخاضعة لأي تفاعلات - ونجد أن الجاذبية أضعف بـ 40 مرتبة من أي قوة أخرى في الكون. هذا يعني أن قوة الجاذبية هي 10 ⁴⁰أضعف الأوقات من القوات الثلاث المتبقية. على سبيل المثال ، على الرغم من أنها ليست أساسية ، ولكن إذا كنت تأخذ بروتونين وتحملهما مسافة متر واحد ، فإن التنافر الكهرومغناطيسي بينهما سيكون أقوى من 10 إلى ⁴⁰ مرة من الجاذبية. أو بعبارة أخرى ، نحتاج إلى زيادة قوة الجاذبية بمقدار 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 مرة لمقارنتها مع أي قوى أخرى.

علاوة على ذلك ، لا يمكن للمرء ببساطة زيادة كتلة البروتون بمعامل 10 ²⁰ ، بحيث تجذبهم الجاذبية معًا ، وتتغلب على القوة الكهرومغناطيسية.



بدلاً من ذلك ، لكي تحدث تفاعلات مثل تلك الموضحة أعلاه تلقائيًا ، عندما تتغلب البروتونات على تنافرها الكهرومغناطيسي ، تحتاج إلى تجميع 10 ⁵⁶البروتونات. فقط من خلال الاندماج والاستسلام لقوة الجاذبية ، يمكنهم التغلب على الكهرومغناطيسية. اتضح أن 10 ⁵⁶ بروتون ستشكل الحد الأدنى للكتلة الممكنة للنجم.

هذا وصف لكيفية عمل الكون - ولكن لماذا هو كذلك ، لا نعرف. لماذا الجاذبية أضعف من التفاعلات الأخرى؟ لماذا تكون "شحنة الجاذبية" (أي الكتلة) أضعف من الكهرباء أو الألوان ، أو حتى ضعيفة؟

هذا هو المكان الذي تكمن فيه مشكلة التسلسل الهرمي ، وهي ، لأسباب عديدة ، بمثابة أكبر مشكلة في الفيزياء لم يتم حلها. الإجابة غير معروفة لنا ، لكن لا يمكننا القول أننا جاهلون تمامًا. من الناحية النظرية ، لدينا بعض الأفكار الجيدة حول إيجاد حل ، وأداة للعثور على دليل على صحتها.



حتى الآن ، وصل مصادم هادرون الكبير - أعلى طاقة للمصادم - إلى مستويات طاقة غير مسبوقة في المختبر ، وجمع مجموعة من البيانات وأعاد إنشاء ما يحدث عند نقاط التصادم. وهذا يشمل إنشاء جسيمات جديدة غير مرئية حتى الآن (مثل بوزون هيجز) ، وظهور جسيمات قديمة ومعروفة من النموذج القياسي (الكواركات ، اللبتونات ، بوزونات القياس). كما أنها قادرة ، إن وجدت ، على إنتاج أي جزيئات أخرى غير مدرجة في النموذج القياسي.

هناك أربع طرق ممكنة أعرفها - أي أربع أفكار جيدة - لحل مشكلة التسلسل الهرمي. والخبر السار هو أنه إذا اختارت الطبيعة أحدها ، فسوف تجد LHC ذلك! (وإذا لم يكن كذلك ، سيستمر البحث).



بالإضافة إلى بوزون هيجز ، الذي تم العثور عليه قبل عدة سنوات ، لم يتم العثور على جسيمات أساسية جديدة على المصادم LHC. (علاوة على ذلك ، لا يوجد مرشح جسيمات جديد مثير للاهتمام على الإطلاق). ومع ذلك ، كان الجسيمات التي تم العثور عليها متوافقة تمامًا مع وصف النموذج القياسي ؛ لم يلاحظ أي تلميحات ذات دلالة إحصائية للفيزياء الجديدة. لا بوزونات Higgs المركبة ، ولا جزيئات Higgs المتعددة ، ولا التحلل غير القياسي ، لا شيء من هذا القبيل.

لكننا بدأنا الآن في تلقي البيانات من طاقات أعلى ، ضعف حجمها السابق ، حتى 13-14 تي في للعثور على شيء آخر. وما هي ، في هذا السياق ، الحلول الممكنة والمعقولة لمشكلة التسلسل الهرمي؟



1) التناظر الفائق ، أو SUSY. التناظر الفائق هو تناظر خاص قادر على التسبب في الكتل الطبيعية لأي جزيئات كبيرة بما يكفي بحيث يمكن مقارنة الجاذبية بالتأثيرات الأخرى ، مما يؤدي إلى الإبادة المتبادلة بدرجة عالية من الدقة. يفترض هذا التناظر أيضًا أن كل جسيم في النموذج القياسي له جسيم فائق شريك ، وأن هناك خمسة جسيمات هيجز وخمسة من شركائها الفائقين. إذا كان هذا التناظر موجودًا ، فيجب كسره ، أو أن الشركاء الفائقين سيكون لديهم نفس الكتل مثل الجسيمات العادية ، وكان يمكن العثور عليها منذ فترة طويلة.

إذا كانت SUSY موجودة على مقياس مناسب لحل مشكلة التسلسل الهرمي ، فيجب على المصادم LHC ، بعد أن وصل إلى طاقات 14 TeV ، أن يجد شريكًا فائقًا واحدًا على الأقل ، بالإضافة إلى جسيم Higgs ثانٍ. وإلا ، فإن وجود شركاء فائقين ثقيلًا للغاية سيؤدي في حد ذاته إلى مشكلة هرمية أخرى لن يكون لها حل جيد. (من المثير للاهتمام أن غياب جزيئات SUSY في جميع الطاقات سيدحض نظرية الأوتار ، لأن التناظر الفائق هو شرط ضروري لنظريات الأوتار التي تحتوي على نموذج قياسي للجسيمات الأولية).

فيما يلي أول حل ممكن لمشكلة التسلسل الهرمي ، والتي ليس لديها حاليًا أي دليل.



2) تكنيكفيت(تكنيكولور). لا ، هذا ليس نظام سينما ملونة من الخمسينيات ، إنه مصطلح مادي للنظريات التي تتطلب تفاعلات قياس جديدة ، وإما تفتقر إلى جزيئات هيجز أو لديها جزيئات هيجز غير مستقرة أو غير ملحوظة (أي مركبة). إذا تم تأكيد اللون التقني ، فسيحتاج أيضًا إلى مجموعة جديدة ومثيرة للاهتمام.الجسيمات المرصودة. من حيث المبدأ ، يمكن أن يكون هذا النظام هو الحل لمشكلتنا ، ولكن الاكتشاف الأخير لجزيء الدوران صفر عند مستوى الطاقة المطلوب يبدو أنه يدحض هذا الحل المحتمل. الآن ، إذا لم يكن جسيم هيغز هذا أساسيًا ، ولكنه مركب ، مصنوع من عدة جزيئات أساسية ، فإن ذلك سيساعد النظرية على أن تظل حلاً مقبولًا. سيكون اختبار LHC المستقبلي في طاقات 13-14 TeV كافيًا لمعرفة ذلك بالتأكيد.

هناك احتمالان آخران ، أحدهما أكثر واعدة ، لكن كلاهما يتضمن أبعادًا إضافية.



3) قياسات مطوية إضافية. تفترض هذه النظرية ، التي قدمتها ليزا راندال ورامان ساندروم المذكورة أعلاه ، أن الجاذبية هي في الواقع قوية مثل التأثيرات الأخرى ، ولكن ليس في الكون ذي الأبعاد المكانية الثلاثة. تعيش في كون آخر بثلاثة أبعاد مكانية ، تحولت بالنسبة لنا بمقدار ^10-31 مترًا فقط في البعد المكاني الرابع (أو ، كما هو موضح في الرسم البياني أعلاه ، في البعد الخامس ، عندما يتم تشغيل الوقت). هذه النظرية مثيرة للاهتمام لأن مثل هذا النظام سيكون مستقرًا ويمكن أن يقدم تفسيراً لسبب تمدد الكون بسرعة كبيرة في البداية (والوقت المكاني المجعد قادر على ذلك) ، وبالتالي ، فإن له مزايا قوية.

يجب أن يتضمن أيضًا مجموعة إضافية من الجسيمات ؛ ليس فائق التناظر ، ولكن جزيئات كالوزا كلاين ، وهذا نتيجة لوجود قياسات إضافية. بالمناسبة ، في التجربة الفضائية ، تم الحصول على تلميح بوجود جسيمات كالوزا كلاين في طاقات 600 GeV ، أو مع كتلة 5 أضعاف كتلة هيجز. وعلى الرغم من أن هذه الطاقات لم تتحقق بعد في المصادمات الحالية ، فإن المصادم LHC الجديد يجب أن يكون قادرًا على تكوين مثل هذه الجسيمات بكثرة ، إن وجدت.



لكن وجود هذا الجسيم الجديد غير مضمون ، لأن الإشارة المستقبلة هي مجرد زيادة في الإلكترونات المرصودة مقارنة بالخلفية المتوقعة. ولكن يجب أن يوضع في الاعتبار ، لأنه عندما يتسارع LHC إلى أقصى طاقات ، يجب أن تكون جميع الجسيمات التي يقل وزنها عن 1000 GeV تقريبًا في متناولها.

وأخيرًا ...



4) أبعاد إضافية كبيرة. قد لا تنهار القياسات الإضافية ، ولكنها كبيرة ، ولكنها كبيرة فقط مقارنةً بالطيارات ، التي يبلغ حجمها ^10-31 مترًا. يجب أن تكون القياسات "الكبيرة" بحجم المليمتر ، لذا يجب أن تبدأ الجزيئات الجديدة في الظهور ضمن حدود المصادم LHC. مرة أخرى ، قد تظهر جزيئات كالوزا كلاين أيضًا ، وقد يكون هذا حلاً محتملاً لمشكلة التسلسل الهرمي.

لكن إحدى نتائج هذا النموذج هي أن الجاذبية سوف تنحرف بقوة عن نيوتن على مسافات أقل من ملليمتر ، واختبار هذا صعب للغاية. المجربون المعاصرون ، مع ذلك ، على استعداد لقبول التحدي .



من الممكن إنشاء أقواس فائقة التبريد صغيرة مليئة بالبلورات الكهروإجهادية (توليد الكهرباء أثناء التشوه) ، مع مسافات بينها ترتيب الميكرونات . تسمح لنا هذه التقنية بفرض حد يبلغ 5-10 ميكرون على القياسات "الكبيرة". وبعبارة أخرى ، تعمل الجاذبية وفقًا لتنبؤات النسبية العامة على المقاييس الأصغر بكثير من المليمتر. لذلك إذا كانت هناك أبعاد إضافية كبيرة ، فهي في مستويات طاقة لا يمكن الوصول إليها من المصادم LHC ، والأهم من ذلك ، أنها لا تحل مشكلة التسلسل الهرمي.

بالطبع ، يمكن العثور على حل مختلف تمامًا لمشكلة التسلسل الهرمي.التي لا يمكن العثور عليها في المصادمات الحديثة ، أو لا يوجد حل على الإطلاق ؛ قد تكون ببساطة خاصية للطبيعة دون أي تفسير لها. لكن العلم لن يتقدم دون محاولة ، وهذا بالضبط ما تحاول هذه الأفكار وعمليات البحث القيام به: لتعزيز معرفتنا بالكون إلى الأمام. وكما هو الحال دائمًا ، مع بداية الإطلاق الثاني لـ LHC ، أتطلع إلى ما قد يظهر هناك ، باستثناء بوزون هيجز المفتوح بالفعل!

Source: https://habr.com/ru/post/ar397421/