Masalah terbesar yang belum terpecahkan dari fisika modern: mengapa gravitasi begitu lemah?

Model Standar Kami tentang Partikel dan Interaksi Elementer belum lama ini menjadi selengkap yang diinginkan. Setiap partikel elementer - dalam semua bentuknya - dibuat di laboratorium, diukur, dan sifatnya ditentukan untuk semua. Kuark atas yang paling lama dipegang, antiquark, tau neutrino dan antineutrino, dan akhirnya bos Higgs, menjadi korban dari kemungkinan kami.

Dan yang terakhir, boson Higgs, juga memecahkan masalah lama fisika: akhirnya, kita dapat menunjukkan dari mana partikel-partikel elementer berasal!



Semuanya keren, tetapi sains tidak berakhir ketika solusi untuk teka-teki ini berakhir. Sebaliknya, itu menimbulkan pertanyaan penting, dan salah satunya adalah "apa selanjutnya?". Adapun Model Standar, kita dapat mengatakan bahwa kita masih tidak tahu segalanya. Dan bagi sebagian besar fisikawan, salah satu pertanyaan itu sangat penting - untuk menggambarkannya, pertama mari kita pertimbangkan properti Model Standar berikut.



Di satu sisi, interaksi yang lemah, elektromagnetik, dan kuat bisa sangat penting, tergantung pada energinya dan jarak di mana interaksi berlangsung. Tetapi dengan gravitasi tidak seperti itu.

Jika Anda tiba-tiba membaca buku yang indah ini oleh Lisa Randall , penulisnya , dia menulis banyak tentang teka-teki ini, yang saya sebut masalah fisika teoretis terbesar yang belum terpecahkan: masalah hierarki .



Kita dapat mengambil dua partikel elementer - massa apa pun dan tunduk pada interaksi apa pun - dan menemukan bahwa gravitasi 40 orde besarnya lebih lemah daripada gaya lainnya di alam semesta. Ini berarti bahwa gaya gravitasi adalah 10 ⁴⁰kali lebih lemah dari tiga kekuatan yang tersisa. Sebagai contoh, meskipun mereka tidak mendasar, tetapi jika Anda mengambil dua proton dan membawanya terpisah satu meter, tolakan elektromagnetik di antara mereka akan 10 hingga ⁴⁰ kali lebih kuat daripada gaya tarik gravitasi. Atau, dengan kata lain, kita perlu meningkatkan gaya gravitasi sebesar 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 kali untuk membandingkannya dengan kekuatan lainnya.

Selain itu, seseorang tidak dapat hanya meningkatkan massa proton dengan faktor 10 ²⁰ , sehingga gravitasi menariknya bersama-sama, mengatasi gaya elektromagnetik.



Alih-alih, agar reaksi seperti yang diilustrasikan di atas terjadi secara spontan, ketika proton mengatasi tolakan elektromagnetiknya, Anda perlu menyatukan 10 ⁵⁶proton. Hanya dengan bersatu dan menyerah pada gaya gravitasi, mereka dapat mengatasi elektromagnetisme. Ternyata 10 ⁵⁶ proton akan membentuk massa minimum yang mungkin dari bintang.

Ini adalah deskripsi tentang bagaimana alam semesta bekerja - tetapi mengapa demikian, kita tidak tahu. Mengapa gravitasi begitu lemah dari interaksi lainnya? Mengapa "muatan gravitasi" (yaitu massa) begitu lemah dari listrik atau warna, atau bahkan lemah?

Di sinilah letak masalah hierarki, dan itu, karena berbagai alasan, berfungsi sebagai masalah fisika terbesar yang belum terpecahkan. Jawabannya tidak diketahui oleh kita, tetapi kita tidak bisa mengatakan bahwa kita sama sekali tidak tahu. Secara teoritis , kami memiliki beberapa ide bagus tentang menemukan solusi, dan alat untuk menemukan bukti kebenarannya.



Sejauh ini, Large Hadron Collider - energi tertinggi dari colliders - telah mencapai tingkat energi yang belum pernah terjadi sebelumnya di laboratorium, mengumpulkan banyak data dan menciptakan kembali apa yang terjadi pada titik-titik tabrakan. Ini termasuk pembuatan partikel baru yang sampai sekarang tidak terlihat (seperti bos Higgs), dan penampakan partikel Model Standar yang lama dan terkenal (quark, lepton, boson pengukur). Selain itu, ia mampu, jika ada, menghasilkan partikel lain yang tidak termasuk dalam Model Standar.

Ada empat cara yang mungkin saya tahu - yaitu, empat ide bagus - untuk menyelesaikan masalah hierarki. Berita baiknya adalah jika alam memilih salah satunya, maka LHC akan menemukannya! (Dan jika tidak, pencarian akan dilanjutkan).



Selain boson Higgs, ditemukan beberapa tahun yang lalu, tidak ada partikel fundamental baru yang ditemukan di LHC. (Apalagi, tidak ada kandidat partikel baru yang menarik sama sekali). Namun, partikel yang ditemukan sepenuhnya konsisten dengan deskripsi Model Standar; tidak ada petunjuk signifikan fisika baru yang diperhatikan. Baik boson komposit Higgs, maupun beberapa partikel Higgs, atau peluruhan non-standar, tidak ada yang sejenis.

Tetapi sekarang kami mulai menerima data dari energi yang bahkan lebih tinggi, dua kali lebih besar dari yang sebelumnya, hingga 13-14 TeV untuk menemukan sesuatu yang lain. Dan apa, dalam nada ini, solusi yang mungkin dan masuk akal untuk masalah hierarki?



1) Supersimetri, atau SUSY. Supersimetri adalah simetri khusus yang mampu menyebabkan massa normal dari partikel apa pun yang cukup besar sehingga gravitasi sebanding dengan pengaruh lainnya, saling memusnahkan dengan tingkat akurasi yang tinggi. Simetri ini juga mengasumsikan bahwa setiap partikel dalam model standar memiliki superpartikel mitra, dan bahwa ada lima partikel Higgs dan lima superpartner mereka. Jika simetri seperti itu ada, itu harus dipatahkan, atau super partner akan memiliki massa yang sama dengan partikel biasa, dan mereka akan telah lama ditemukan.

Jika SUSY ada pada skala yang cocok untuk memecahkan masalah hierarki, maka LHC, setelah mencapai energi 14 TeV, harus menemukan setidaknya satu superpartner, serta partikel Higgs kedua. Jika tidak, keberadaan mitra super yang sangat berat akan dengan sendirinya mengarah ke masalah hierarki lain yang tidak akan memiliki solusi yang baik. (Menariknya, tidak adanya partikel SUSY pada semua energi akan menyangkal teori string, karena supersimetri adalah kondisi yang diperlukan untuk teori string yang mengandung model standar partikel elementer).

Berikut adalah solusi pertama yang mungkin untuk masalah hierarki, yang saat ini tidak memiliki bukti.



2) Technicvet(Warna Teknik). Tidak, ini bukan sistem sinema warna dari tahun 1950-an, ini adalah istilah fisik untuk teori yang memerlukan interaksi pengukur baru, dan kurang memiliki partikel Higgs atau memiliki partikel Higgs yang tidak stabil atau tidak dapat diamati (mis. Komposit). Jika warna teknis dikonfirmasi, ia juga akan membutuhkan set baru dan menarik.partikel yang diamati. Pada prinsipnya, sistem ini bisa menjadi solusi untuk masalah kita, tetapi penemuan baru-baru ini tentang partikel spin-nol pada tingkat energi yang diinginkan tampaknya menyangkal solusi yang mungkin ini. Sekarang, jika partikel Higgs ini tidak fundamental, tetapi komposit, terbuat dari beberapa yang fundamental, ini akan membantu teori untuk tetap menjadi solusi yang dapat diterima. Tes LHC di masa depan dengan energi 13-14 TeV akan cukup untuk mencari tahu pasti.

Ada dua kemungkinan lagi, salah satunya lebih menjanjikan, tetapi keduanya termasuk dimensi tambahan.



3) Pengukuran tambahan runtuh. Teori ini, yang diperkenalkan oleh Lisa Randall dan Raman Sundrum yang disebutkan di atas, mendalilkan bahwa gravitasi sebenarnya sekuat pengaruh lainnya, tetapi tidak di alam semesta dengan tiga dimensi spasial. Dia tinggal di alam semesta lain dengan tiga dimensi spasial, bergeser relatif terhadap kita dengan hanya 10 ^-31 meter di dimensi spasial keempat (atau, seperti yang ditunjukkan pada diagram di atas, di dimensi kelima, ketika waktu dihidupkan). Teori ini menarik karena sistem seperti itu akan stabil dan dapat menawarkan penjelasan mengapa Semesta berkembang begitu cepat di awal (dan ruang-waktu yang melingkar mampu melakukannya), oleh karena itu, ia memiliki keunggulan yang kuat.

Itu juga harus mencakup seperangkat partikel tambahan; bukan supersimetris, tetapi partikel Kaluza-Klein, dan ini merupakan konsekuensi dari adanya pengukuran tambahan. Ngomong-ngomong, dalam percobaan ruang angkasa , sebuah petunjuk diperoleh dari keberadaan partikel Kaluza-Klein pada energi 600 GeV, atau dengan massa 5 kali massa Higgs. Dan, meskipun energi seperti itu belum tercapai pada colliders saat ini, LHC baru harus dapat membuat partikel seperti itu dalam kelimpahan, jika ada.



Tetapi keberadaan partikel baru ini tidak dijamin, karena sinyal yang diterima hanyalah kelebihan dari elektron yang diamati dibandingkan dengan latar belakang yang diharapkan. Tetapi harus diingat, karena ketika LHC berakselerasi ke energi maksimum, hampir semua partikel dengan berat di bawah 1000 GeV harus berada dalam jangkauannya.

Dan akhirnya ...



4) Dimensi tambahan besar. Pengukuran tambahan mungkin tidak runtuh, tetapi besar, tetapi besar hanya jika dibandingkan dengan runtuh, yang ukurannya 10 ^-31 m. Pengukuran "besar" harus berukuran milimeter, sehingga partikel baru akan mulai muncul dalam batas LHC. Sekali lagi, partikel Kaluza-Klein juga dapat muncul, dan ini mungkin merupakan solusi yang mungkin untuk masalah hierarki.

Tetapi salah satu konsekuensi dari model ini adalah gravitasi akan menyimpang dengan kuat dari Newton pada jarak kurang dari satu milimeter, dan menguji ini sangat sulit. Eksperimen modern, bagaimanapun, siap menerima tantangan .



Dimungkinkan untuk membuat kurung super kecil yang diisi dengan kristal piezoelektrik (menghasilkan listrik selama deformasi), dengan jarak di antara mereka dari urutan mikron . Teknologi ini memungkinkan kita untuk menerapkan batasan 5-10 mikron pada pengukuran "besar". Dengan kata lain, gravitasi bekerja sesuai dengan prediksi relativitas umum pada skala yang jauh lebih kecil dari satu milimeter. Jadi jika ada dimensi tambahan yang besar, mereka berada pada tingkat energi yang tidak dapat diakses oleh LHC, dan yang lebih penting, mereka tidak menyelesaikan masalah hierarki.

Tentu saja, solusi yang sama sekali berbeda dapat ditemukan untuk masalah hierarkiyang tidak dapat ditemukan pada colliders modern, atau tidak ada solusi sama sekali; mungkin saja itu adalah sifat alami tanpa penjelasan apa pun. Tetapi sains tidak akan maju tanpa mencoba, dan inilah yang coba dilakukan oleh gagasan dan pencarian ini: untuk memajukan pengetahuan kita tentang Semesta ke depan. Dan, seperti biasa, dengan dimulainya peluncuran kedua LHC, saya menantikan apa yang mungkin muncul di sana, kecuali untuk boson Higgs yang sudah terbuka!

Source: https://habr.com/ru/post/id397421/