Das größte ungelöste Problem der modernen Physik: Warum ist die Schwerkraft so schwach?

Unser Standardmodell für Elementarteilchen und Wechselwirkungen wurde vor nicht allzu langer Zeit so vollständig, wie man es sich hätte wünschen können. Jedes Elementarteilchen - in all seinen möglichen Formen - wurde im Labor erzeugt, gemessen und die Eigenschaften für alle bestimmt. Der am längsten gehaltene obere Quark, Antiquark, Tau Neutrino und Antineutrino und schließlich das Higgs-Boson fielen unseren Möglichkeiten zum Opfer.

Und das letzte, das Higgs-Boson, hat auch das alte Problem der Physik gelöst: Endlich können wir zeigen, woher Elementarteilchen kommen!



Es ist alles cool, aber die Wissenschaft endet nicht, wenn die Lösung für dieses Rätsel endet. Im Gegenteil, es wirft wichtige Fragen auf, und eine davon ist „Was kommt als nächstes?“. Was das Standardmodell betrifft, können wir sagen, dass wir immer noch nicht alles wissen. Und für die meisten Physiker ist eine der Fragen besonders wichtig - um sie zu beschreiben, betrachten wir zunächst die folgende Eigenschaft des Standardmodells.



Einerseits können schwache, elektromagnetische und starke Wechselwirkungen sehr wichtig sein, abhängig von ihren Energien und den Entfernungen, in denen die Wechselwirkung stattfindet. Aber mit der Schwerkraft ist das nicht so.

Wenn Sie plötzlich dieses schöne Buch von Lisa Randall , der Autorin , lesen , hat sie viel über dieses Rätsel geschrieben, das ich das größte ungelöste Problem der theoretischen Physik nennen würde: das Problem der Hierarchie .



Wir können zwei beliebige Elementarteilchen nehmen - jede Masse und jeder Wechselwirkung ausgesetzt - und feststellen, dass die Schwerkraft um 40 Größenordnungen schwächer ist als jede andere Kraft im Universum. Dies bedeutet, dass die Schwerkraft 10 ⁴⁰ beträgtmal schwächer als die drei verbleibenden Kräfte. Zum Beispiel, obwohl sie nicht grundlegend sind, aber wenn Sie zwei Protonen nehmen und sie einen Meter voneinander entfernt tragen, ist die elektromagnetische Abstoßung zwischen ihnen 10 bis ⁴⁰ Mal stärker als die Anziehungskraft der Gravitation. Mit anderen Worten, wir müssen die Schwerkraft um das 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000-fache erhöhen, um sie mit anderen Kräften zu vergleichen.

Darüber hinaus kann man die Protonenmasse nicht einfach um den Faktor 10 ²⁰ erhöhen , so dass die Schwerkraft sie zusammenzieht und die elektromagnetische Kraft überwindet.



Damit Reaktionen wie die oben dargestellte spontan ablaufen und Protonen ihre elektromagnetische Abstoßung überwinden, müssen Sie stattdessen 10 ^{56 zusammensetzen}Protonen. Nur wenn sie zusammenkommen und der Schwerkraft erliegen, können sie den Elektromagnetismus überwinden. Es stellt sich heraus, dass 10 ⁵⁶ Protonen die minimal mögliche Masse des Sterns bilden.

Dies ist eine Beschreibung der Funktionsweise des Universums - aber warum es so ist, wissen wir nicht. Warum ist die Schwerkraft so schwächer als andere Wechselwirkungen? Warum ist die „Gravitationsladung“ (dh die Masse) so schwächer als elektrisch oder farblich oder sogar schwach?

Hier liegt das Problem der Hierarchie, und es dient aus vielen Gründen als das größte ungelöste Problem der Physik. Die Antwort ist uns unbekannt, aber wir können nicht sagen, dass wir völlig unwissend sind. Theoretisch haben wir einige gute Ideen, um eine Lösung zu finden, und ein Werkzeug, um Beweise für ihre Richtigkeit zu finden.



Bisher hat der Large Hadron Collider - die energiereichste der Collider - im Labor ein beispielloses Energieniveau erreicht, eine Reihe von Daten gesammelt und neu erstellt, was an den Kollisionspunkten geschieht. Dies umfasst die Erzeugung neuer, bisher nicht sichtbarer Partikel (wie das Higgs-Boson) und das Auftreten alter, bekannter Partikel des Standardmodells (Quarks, Leptonen, Eichbosonen). Es ist auch in der Lage, falls vorhanden, andere Partikel zu produzieren, die nicht im Standardmodell enthalten sind.

Ich kenne vier Möglichkeiten - das sind vier gute Ideen -, um das Hierarchieproblem zu lösen. Die gute Nachricht ist, dass wenn die Natur einen von ihnen wählt, der LHC ihn finden wird! (Wenn nicht, wird die Suche fortgesetzt).



Neben dem vor einigen Jahren gefundenen Higgs-Boson wurden auf dem LHC keine neuen Grundpartikel gefunden. (Darüber hinaus gibt es überhaupt keine interessanten neuen Partikelkandidaten). Und doch stimmte das gefundene Partikel vollständig mit der Beschreibung des Standardmodells überein; Es wurden keine statistisch signifikanten Hinweise auf neue Physik festgestellt. Weder zusammengesetzte Higgs-Bosonen noch mehrere Higgs-Teilchen oder nicht standardmäßige Zerfälle, nichts dergleichen.

Aber jetzt haben wir begonnen, Daten von noch höheren Energien zu empfangen, die doppelt so groß sind wie die vorherigen, bis zu 13-14 TeV, um etwas anderes zu finden. Und was sind in diesem Sinne mögliche und vernünftige Lösungen für das Problem der Hierarchie?



1) Supersymmetrie oder SUSY. Supersymmetrie ist eine spezielle Symmetrie, die die normalen Massen von Partikeln verursachen kann, die groß genug sind, damit die Schwerkraft mit anderen Einflüssen vergleichbar ist und sich gegenseitig mit einem hohen Maß an Genauigkeit vernichtet. Diese Symmetrie setzt auch voraus, dass jedes Partikel im Standardmodell ein Partnersuperpartikel hat und dass es fünf Higgs-Partikel und fünf ihrer Superpartner gibt. Wenn eine solche Symmetrie existiert, muss sie gebrochen werden, sonst hätten die Superpartner die gleichen Massen wie gewöhnliche Teilchen, und sie wären schon lange gefunden worden.

Wenn SUSY auf einer Skala existiert, die zur Lösung des Hierarchieproblems geeignet ist, muss der LHC, der Energien von 14 TeV erreicht hat, mindestens einen Superpartner sowie ein zweites Higgs-Teilchen finden. Andernfalls führt die Existenz sehr schwerer Superpartner an sich zu einem anderen Hierarchieproblem, das keine gute Lösung bietet. (Interessanterweise wird das Fehlen von SUSY-Partikeln bei allen Energien die Stringtheorie widerlegen, da Supersymmetrie eine notwendige Bedingung für Stringtheorien ist, die ein Standardmodell von Elementarteilchen enthalten.)

Hier ist die erste mögliche Lösung für das Hierarchieproblem, für die derzeit keine Beweise vorliegen.



2) Technicvet(Technicolor). Nein, dies ist kein Farbkinosystem aus den 1950er Jahren, sondern ein physikalischer Begriff für Theorien, die neue Eichwechselwirkungen erfordern und entweder keine Higgs-Partikel aufweisen oder instabile oder nicht beobachtbare (d. H. Zusammengesetzte) Higgs-Partikel aufweisen. Wenn die technische Farbe bestätigt würde, würde er auch ein neues und interessantes Set benötigen .beobachtete Partikel. Im Prinzip könnte dieses System die Lösung für unser Problem sein, aber die jüngste Entdeckung eines Spin-Null-Partikels auf dem gewünschten Energieniveau scheint diese mögliche Lösung zu widerlegen. Wenn dieses Higgs-Teilchen nicht grundlegend, sondern zusammengesetzt aus mehreren fundamentalen Teilchen wäre, würde dies der Theorie helfen, eine akzeptable Lösung zu bleiben. Ein zukünftiger LHC-Test bei Energien von 13-14 TeV wird ausreichen, um dies sicher herauszufinden.

Es gibt zwei weitere Möglichkeiten, eine davon ist vielversprechender, aber beide enthalten zusätzliche Dimensionen.



3) Reduzierte zusätzliche Messungen. Diese Theorie, die von Lisa Randall und Raman Sundrum eingeführt wurde, postuliert, dass die Schwerkraft tatsächlich so stark ist wie die anderen Einflüsse, jedoch nicht in einem Universum mit drei räumlichen Dimensionen. Sie lebt in einem anderen Universum mit drei räumlichen Dimensionen, die in der vierten räumlichen Dimension (oder, wie im obigen Diagramm gezeigt, in der fünften Dimension, wenn die Zeit eingeschaltet ist) relativ zu unserer um nur 10 bis ³¹ Meter verschoben sind . Diese Theorie ist interessant, weil ein solches System stabil wäre und eine Erklärung dafür liefern könnte, warum sich das Universum von Anfang an so schnell ausdehnte (und die zusammengerollte Raumzeit dazu in der Lage ist), weshalb es starke Vorteile hat.

Es sollte auch einen zusätzlichen Satz von Partikeln enthalten; keine supersymmetrischen, sondern Kaluza-Klein-Partikel, und dies ist eine Folge des Vorhandenseins zusätzlicher Messungen. Übrigens wurde im Weltraumexperiment ein Hinweis auf die Existenz von Kaluza-Klein-Teilchen bei Energien von 600 GeV oder mit einer Masse von 5-mal der von Higgs erhalten. Und obwohl solche Energien bei aktuellen Kollidern noch nicht erreicht wurden, muss der neue LHC in der Lage sein, solche Partikel im Überfluss zu erzeugen, falls sie existieren.



Die Existenz dieses neuen Teilchens ist jedoch nicht garantiert, da das empfangene Signal nur einen Überschuss der beobachteten Elektronen im Vergleich zum erwarteten Hintergrund darstellt. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass fast alle Partikel mit einem Gewicht unter 1000 GeV in Reichweite sein müssen, wenn der LHC auf maximale Energien beschleunigt.

Und schließlich ...



4) Große zusätzliche Abmessungen. Zusätzliche Messungen dürfen nicht kollabiert werden, sondern sind groß, aber nur im Vergleich zu kollabierten Messungen mit einer Größe von 10 bis ³¹ m groß . "Große" Messungen sollten Millimeter groß sein, damit neue Partikel innerhalb der Grenzen der LHC-Fähigkeiten auftreten. Auch hier können Kaluza-Klein-Partikel auftreten, und dies kann eine mögliche Lösung für das Problem der Hierarchie sein.

Eine Konsequenz dieses Modells wird jedoch sein, dass die Schwerkraft in Entfernungen von weniger als einem Millimeter stark vom Newtonschen abweicht, und dies zu testen ist sehr schwierig. Moderne Experimentatoren sind jedoch bereit, die Herausforderung anzunehmen .



Es ist möglich, winzige unterkühlte Klammern zu erzeugen, die mit piezoelektrischen Kristallen gefüllt sind (die während der Verformung Elektrizität erzeugen), wobei die Abstände zwischen ihnen in der Größenordnung von Mikrometern liegen . Diese Technologie ermöglicht es uns, die "großen" Messungen auf 5-10 Mikrometer zu beschränken. Mit anderen Worten, die Schwerkraft arbeitet nach Vorhersagen der allgemeinen Relativitätstheorie auf Skalen, die viel kleiner als ein Millimeter sind. Wenn es also große zusätzliche Dimensionen gibt, sind sie auf Energieniveaus, auf die der LHC nicht zugreifen kann, und was noch wichtiger ist, sie lösen das Hierarchieproblem nicht.

Natürlich kann für das Hierarchieproblem eine völlig andere Lösung gefunden werden.was auf modernen Collidern nicht zu finden ist oder es überhaupt keine Lösung gibt; es kann einfach eine Eigenschaft der Natur sein, ohne eine Erklärung dafür zu haben. Aber die Wissenschaft wird nicht voranschreiten, ohne es zu versuchen, und genau das versuchen diese Ideen und Suchen zu tun: unser Wissen über das Universum voranzutreiben. Und wie immer freue ich mich mit dem Start des zweiten Starts des LHC auf das, was dort erscheinen könnte, mit Ausnahme des bereits geöffneten Higgs-Bosons!

Source: https://habr.com/ru/post/de397421/