O maior problema não resolvido da física teórica
Crédito da imagem: CERN/LHC.
Como o problema da hierarquia, ou por que a gravidade é muito mais fraca do que todo o resto, pode ser a chave para todo o Universo.
Eu só acho que muitas coisas boas aconteceram na teoria das cordas para que tudo esteja errado. Os humanos não entendem muito bem, mas eu simplesmente não acredito que exista uma grande conspiração cósmica que criou essa coisa incrível que não tem nada a ver com o mundo real. – Ed Witten
Nosso modelo padrão de partículas e forças elementares tornou-se recentemente tão próximo da conclusão quanto poderíamos pedir. Cada uma das partículas elementares – em todas as suas diferentes encarnações concebíveis – foi criada em laboratório, medida e teve suas propriedades determinadas. Os últimos redutos, o quark top e o antiquark, o neutrino e o antineutrino tau e, finalmente, o bóson de Higgs, foram finalmente vítimas de nossas capacidades de detecção.
Essa última, em particular - os Higgs - resolveu um problema de longa data na física: finalmente, podemos confiantemente explicar onde estas partículas elementares cada obter a sua massa de repouso a partir!
Crédito da imagem: E. Siegel, de seu novo livro, Além da Galáxia.
Isso é ótimo e tudo, mas não é como extremidades ciência agora que já terminou essa parte do quebra-cabeça. Em vez disso, existem importantes questões de acompanhamento, e que pudermos sempre perguntar é, o que vem a seguir? Quando se trata do modelo padrão, ainda não temos tudo planejado. Uma coisa em particular se destaca para a maioria dos físicos: para encontrá-la, gostaria que você considerasse a seguinte propriedade do modelo padrão.
Crédito da imagem: NSF, DOE, LBNL e o Projeto de Educação Física Contemporânea (CPEP).
Por um lado, as forças fraca, eletromagnética e forte podem ser muito importantes, dependendo das escalas de energia e distância da interação em questão.
Mas a gravitação? Não muito.
Se você já teve a oportunidade de ler este livro fabuloso de Lisa Randall , ela escreve longamente sobre esse quebra-cabeça, que eu chamaria de o maior problema não resolvido da física teórica: o problema da hierarquia .
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Zhitelew, das massas de partículas para as partículas do modelo padrão.
O que podemos fazer é pegar quaisquer duas partículas fundamentais - de algum massa e qualquer uma das forças através das quais eles interagem - e descobrir que a gravidade é literalmente quarenta ordens de grandeza mais fraca do que todas as outras forças conhecidas no Universo. Isso significa que a força gravitacional é um fator de 10⁴⁰ mais fraca do que as outras três forças. Por exemplo, embora não sejam fundamentais, se você colocar dois prótons a um metro de distância, a repulsão eletromagnética entre eles seria aproximadamente 10⁴⁰ vezes mais forte que a atração gravitacional. Ou, e vou escrever só desta vez, precisaríamos aumentar a força da gravidade em 10.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000 para que sua força seja comparável às outras forças conhecidas.
Você não pode simplesmente fazer um próton pesar 10²⁰ vezes mais do que normalmente; isso é o que seria necessário para fazer a gravidade unir dois prótons, superando a força eletromagnética.
Crédito da imagem: trabalho de domínio público do usuário do Wikimedia Commons Wereon.
Em vez disso, se você quiser fazer uma reação como a citada acima acontecer espontaneamente , Onde prótons que superar sua repulsão eletromagnética, você precisa de algo como 10⁵⁶ prótons todos juntos. Somente coletando tantos deles, sob sua força combinada de gravidade, você pode superar o eletromagnetismo e reunir essas partículas. Como se vê, 10⁵⁶ prótons é aproximadamente a massa mínima de uma estrela bem-sucedida.
Essa é uma descrição da maneira como nosso Universo funciona, mas não entendemos Por quê. Por que a gravidade é muito mais fraca do que todas as outras forças? Por que a carga gravitacional (ou seja, massa) é muito mais fraca que a carga elétrica ou colorida, ou mesmo que a carga fraca?
Isso é o que é o Problema da Hierarquia, e esse problema é, em muitos aspectos, o maior problema não resolvido da física. Não sabemos a resposta, mas não estamos completamente no escuro sobre isso. Teoricamente , temos algumas boas ideias sobre qual a solução poder be, e uma ferramenta para nos ajudar a investigar se alguma dessas possibilidades pode estar correta.
Crédito da imagem: Maximilien Brice (CERN).
Até agora, o Grande Colisor de Hádrons – o colisor de partículas de maior energia já desenvolvido – atingiu energias sem precedentes em condições de laboratório aqui na Terra, coletando enormes quantidades de dados e reconstruindo exatamente o que ocorreu nos pontos de colisão. Isso inclui a criação de novas partículas nunca antes vistas (como o Higgs, que o LHC descobriu), nossas antigas e familiares partículas modelo padrão (quarks, léptons e bósons de calibre), e pode – se existirem – produzir quaisquer outras partículas que possam existir além do modelo padrão.
Existem quatro maneiras concebíveis - ou seja, quatro Boa ideias — que eu conheço para resolver o problema da hierarquia. A boa notícia para a experiência é que E se qualquer uma dessas soluções é a que a natureza escolheu, o LHC deve encontrá-lo! (E se não, precisaremos continuar procurando.)
Crédito da imagem: The CMS Collaboration, Observação do decaimento de difótons do bóson de Higgs e medição de suas propriedades, (2014).
Além do único bóson de Higgs cuja descoberta foi anunciada há três anos, nenhum novo fundamental partículas foram encontradas no LHC. (Não apenas isso, mas não há novos candidato partículas que surgiram também.) Além disso, a partícula que foi encontrada era completamente consistente com o modelo padrão de Higgs; não há nenhum resultado estatisticamente significativo que sugira fortemente que qualquer nova física tenha sido observada além do modelo padrão. Não para um Higgs composto, não para múltiplas partículas de Higgs, não para decaimentos tipo modelo não padronizado, nada desse tipo.
Mas começamos a coletar dados em energias ainda mais altas - até 13/14 TeV de apenas metade disso - para tentar descobrir ainda mais. Com isso em mente, quais são as soluções possíveis e razoáveis para o problema da hierarquia que estamos prontos para explorar?
Crédito da imagem: DESY em Hamburgo.
1.) Supersimetria, ou SUSY abreviado. A supersimetria é uma simetria especial que faria com que as massas normais de quaisquer partículas - que teria foi suficientemente grande para que a gravidade fosse de força comparável às outras forças - para cancelar, com um alto grau de precisão. A simetria também implica que cada partícula no modelo padrão tem um parceiro superpartícula e (não mostrado) que existem cinco Partículas de Higgs (ver aqui por que) e cinco superparceiros Higgs. Se existe essa simetria, deve ser quebrado , ou os superparceiros teriam as mesmas massas exatas que as partículas normais e, portanto, já teriam sido descobertos.
Para que o SUSY exista na escala apropriada para resolver o problema da hierarquia, o LHC – quando atingir sua energia total de 14 TeV – deve encontrar pelo menos 1 superparceiro, bem como pelo menos uma segunda partícula de Higgs. Caso contrário, a existência de superparceiros muito pesados criaria outro problema de hierarquia intrigante, sem uma boa solução. (Para aqueles que estão se perguntando, a ausência de partículas SUSY em todo energias seriam suficientes para invalidar a teoria das cordas, pois a supersimetria é um requisito das teorias das cordas que contêm o modelo padrão de partículas.)
Portanto, essa é a primeira solução possível para o problema da hierarquia, que não tem evidências para apoiá-la até hoje.
Crédito da imagem: J. R. Andersen et al. (2011), para o Primeiro Relatório Preto em Discovering Technicolor no LHC.
2.) Tecnocolor . Não, este não é um desenho animado dos anos 1950; tecnicolor é o termo para teorias físicas que requerem novas interações de calibre, e também que não têm partículas de Higgs ou são instáveis/não observáveis (ou seja, composto ) Higgs. Se o technicolor estivesse correto, também exigiria um nova quantidade interessante de partículas observáveis . Embora isso pudesse ter sido uma solução plausível em princípio, a recente descoberta do que parece ser um escalar fundamental de spin-0 na energia certa para ser o Higgs parece invalidar essa possível solução para o problema da hierarquia. A única rota de fuga seria se esse Higgs acabasse não ser uma partícula fundamental, mas sim uma partícula composta, composta de outras partículas mais fundamentais. A próxima corrida completa no LHC, com a energia aprimorada de 13/14 TeV, deve ser suficiente para descobrir de uma vez por todas se esse é o caso.
Existem duas outras possibilidades, uma muito mais promissora que a outra, ambas envolvendo dimensões extras.
Crédito da imagem: Falhanços Tanedo, via http://www.physics.uci.edu/~tanedo/docs.html.
3.) Dimensões Extras Deformadas . Esta teoria - iniciada pela já mencionada Lisa Randall junto com Raman Sundrum - sustenta que a gravidade é tão forte quanto as outras forças, mas não em nosso universo tridimensional. Ele vive em um universo de três dimensões espaciais diferente que é compensado por uma pequena quantidade – como 10 ^ (–31) metros – do nosso próprio universo no quarto dimensão espacial. (Ou, como o diagrama acima indica, no quinto dimensão, uma vez que o tempo é incluído.) Isso é interessante, porque seria estável, e poderia fornecer uma possível explicação de por que nosso Universo começou a se expandir tão rapidamente no início (o espaço-tempo deformado pode fazer isso), então tem algumas vantagens.
O que deveria Além disso include são um conjunto extra de partículas; não partículas supersimétricas, mas partículas Kaluza-Klein, que são uma consequência direta da existência de dimensões extras. Para o que vale, houve um dica de um experimento no espaço que pode haver uma partícula Kaluza-Klein com uma energia de cerca de 600 GeV, ou cerca de 5 vezes a massa do Higgs. Embora nossos atuais colisores não tenham conseguido sondar essas energias, a nova corrida do LHC deve ser capaz de criá-las em abundância suficiente para detectá-las… E se eles existem.
Crédito da imagem: J. Chang et al. (2008), Nature, do Advanced Thin Ionization Calorimeter (ATIC).
A existência desta nova partícula, no entanto, não é de forma alguma uma certeza, pois o sinal é apenas um excesso de elétrons observados sobre o fundo esperado. Ainda assim, vale a pena ter em mente, pois o LHC eventualmente atinge a energia total; quase qualquer nova partícula com massa abaixo de 1.000 GeV deve estar dentro do alcance desta máquina.
E finalmente…
Crédito da imagem: Caroline Collard (2004), de uma palestra que deu ao Inter-University Institute for High Energies.
4. Dimensões extra) Grandes . Em vez de serem deformadas, as dimensões extras podem ser grandes, onde grande é apenas grande em relação às deformadas, que tinham 10 ^ (-31) metros de escala. As grandes dimensões extras seriam do tamanho de um milímetro, o que significava que novas partículas começariam a aparecer na escala que o LHC é capaz de sondar. Novamente, haveria novas partículas Kaluza-Klein, e isso poderia ser uma possível solução para o problema da hierarquia.
Mas um extra A consequência desse modelo seria que a gravidade se afastaria radicalmente da lei de Newton a distâncias abaixo de um milímetro, algo que tem sido incrivelmente difícil de testar. Os experimentalistas modernos, no entanto, mais do que à altura do desafio .
Imagens de crédito: Cryogenic Hélio turbulência e atividade Hidrodinâmica em cnrs.fr.
Pequenos cantilevers super-resfriados, carregados com cristais piezoelétricos (cristais que liberam energia elétrica quando sua forma é alterada / quando são torcidos) podem ser criados com espaçamentos de meros mícrons entre eles , como mostrado acima. Essa nova técnica nos permite colocar restrições que, se houver grandes dimensões extras, sejam menores que cerca de 5 a 10 mícrons. Em outras palavras, a gravidade é certo , até onde a Relatividade Geral prevê, em escalas muito menores que um milímetro. Então, se houver grandes dimensões extras, elas estão em energias inacessíveis ao LHC e, mais importante, que não resolva o problema da hierarquia.
Claro que também há poderia ser uma solução completamente diferente para o problema da hierarquia , um que não aparecerá em nossos colisores atuais ou pode não haver uma solução; pode ser assim que a natureza é, e pode não haver explicação para isso. Mas a ciência nunca progredirá a menos que tentemos, e é isso que essas ideias e pesquisas são: nossa tentativa de levar adiante nosso conhecimento do Universo. E como sempre, como o Run II do LHC já começou, mal posso esperar para ver o que – além do já descoberto bóson de Higgs – pode aparecer!
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