宇宙の構造を理解するということになると、科学者が存在すると考えているもののほとんどは、暗く曖昧な領域に委ねられています。私たちが見たり触れたりできる普通の物質は、宇宙のわずか 5% にすぎません。残りは暗黒エネルギーと暗黒物質であり、その本質についての私たちの無知を部分的に反映して「暗黒」とラベル付けされている神秘的な物質であると宇宙学者は言う。

宇宙について私たちが知りたいことをすべて説明できる単一のアイデアはありませんが、2 年前に導入されたアイデアがいくつかの大きな疑問に答える可能性があります。と呼ばれる ダークディメンションシナリオ、それは暗黒物質の特定のレシピを提供し、暗黒物質と暗黒エネルギーの間の密接な関係を示唆しています。このシナリオは、最大のスケールで宇宙を形作る重力が他の力と比べて非常に弱い理由も教えてくれるかもしれません。

このシナリオは、量子力学とアインシュタインの重力理論を統合しようとする、すでに複雑な弦理論の領域内に存在する、まだ見たことのない次元を提案します。おなじみの 4 つの次元 (3 つの無限に大きな空間次元と 1 つの時間) に加えて、弦理論は 6 つの非常に小さな空間次元があることを示唆しています。

暗黒次元の宇宙では、追加次元の 100 つが他の次元よりも大幅に大きくなります。陽子の直径の 1 億兆倍小さい代わりに、直径は約 25 ミクロン、日常の基準では 70 分ですが、他のものと比較すると巨大です。重力を運ぶ巨大な粒子がこの暗黒次元内で生成され、科学者が宇宙の約 XNUMX% を占めると考えている暗黒物質を構成し、銀河を結び付ける接着剤を形成します。 (現在の推定では、残りの XNUMX% は暗黒エネルギーで構成されており、これが宇宙の膨張を推進していると考えられています。)

このシナリオにより、「ひも理論、量子重力、素粒子物理学、宇宙論を結びつけながら、それらに関連するいくつかの謎に取り組むことができる」と同氏は述べた。 イグナティオス・アントニアディス、ソルボンヌ大学の物理学者であり、暗黒次元の提案について積極的に研究しています。

暗黒次元が存在するという証拠はまだありませんが、このシナリオは宇宙論的観測と卓上物理学の両方について検証可能な予測を立てています。つまり、その仮説が実証的な精査の下で妥当するかどうか、あるいは当初の約束が果たされなかった魅力的なアイデアのリストに追いやられるかどうかを確認するのに、長く待つ必要はないかもしれない。

「ここで想像される暗黒の次元」と物理学者は言った ラジェシュ・ゴパクマルバンガロールの理論科学国際センター所長である同氏は、「今後の実験がより鋭くなるにつれて、かなり簡単に除外される可能性があるという利点」を持っている。

暗黒次元を占う

暗黒次元は、宇宙定数に関する長年の謎に触発されました。この定数は、アルバート・アインシュタインが 1917 年に重力の方程式に導入した、ギリシャ文字のラムダで表される用語です。彼の同僚の多くと同様に、静的な宇宙を信じていました。 , アインシュタインは、方程式が膨張する宇宙を説明しないようにするためにこの用語を追加しました。しかし、1920 年代に天文学者たちは宇宙が実際に膨張していることを発見し、1998 年には、現在一般にダーク エネルギーと呼ばれているもの (ラムダによって方程式で表すこともできる) によって推進されて加速的に成長していることを観察しました。

それ以来、科学者たちはラムダの 10 つの顕著な特性と格闘してきました。その推定値は XNUMX です。^-122 プランク単位は「物理学で測定される最小パラメータ」であると述べた クムルン・ファファ、ハーバード大学の物理学者。 2022年、研究チームのXNUMX人のメンバーとともにその計り知れない小ささを考えながら―― ミゲル・モンテロ、現在はマドリッドの理論物理学研究所に在籍しています。 イレーネ・バレンズエラ現在CERNにいる — Vafaは洞察を持っていた：このような極小のラムダは真に極端なパラメータであり、これはVafaの弦理論における以前の研究の枠組み内で考慮できることを意味する。

以前に、彼と他の人々は、重要な物理パラメータが極端な値を取ると何が起こるかを説明する推測を定式化しました。距離予想と呼ばれるこれは、抽象的な意味での「距離」を指します。パラメータが可能性の遠い端に向かって移動し、それによって極値を想定すると、他のパラメータに影響が生じます。

したがって、弦理論の方程式では、粒子の質量、ラムダ、相互作用の強さを決定する結合定数などの重要な値は固定されていません。 1 つを変更すると、必然的に他のものも影響を受けます。

たとえば、観察されているように、非常に小さなラムダには、ラムダの値に直接関係する質量を持つ、はるかに軽く相互作用の弱い粒子が伴うはずです。 「それらは何でしょうか？」ヴァファは不思議に思った。

彼と彼の同僚がその疑問について熟考したとき、彼らは距離予想と弦理論を組み合わせることで、もう 1 つの重要な洞察が得られることに気づきました。ラムダがほぼゼロのときにこれらの軽量粒子が現れるには、弦理論の余剰次元の 1 つが次元よりも大幅に大きくなければなりません。他のものは、おそらく私たちがその存在を検出し、測定するのに十分な大きさです。彼らは暗黒次元に到着したのだ。

ダーク・タワー

推定された光粒子の起源を理解するには、宇宙論の歴史をビッグバン後の最初のマイクロ秒まで巻き戻す必要があります。この当時、宇宙は放射線、つまり光の速度に近い速度で移動する光子やその他の粒子によって支配されていました。これらの粒子は素粒子物理学の標準モデルによってすでに記述されていますが、暗黒次元のシナリオでは、よく知られた粒子が互いに衝突するときに、標準モデルの一部ではない粒子のファミリーが出現する可能性があります。

「時々、これらの放射線粒子は互いに衝突し、私たちが『暗黒重力子』と呼ぶものを作り出しました」と彼は述べた。 ジョルジュ・オビエド、オックスフォード大学の物理学者で、工作を手伝った 暗黒重力子の理論.

通常、物理学者は重力子を、電磁力を伝える質量のない光子と同様に、光の速度で移動し、重力を伝える質量のない粒子として定義します。しかし、このシナリオでは、オビエド氏が説明したように、これらの初期の衝突により、異なる種類の重力子、つまり質量を持つ何かが生成されました。それ以上に、彼らはさまざまな異なる重力子を生成しました。

「質量のない重力子が 1 つあり、それが私たちが知っている通常の重力子です」とオビード氏は述べた。 「そして、暗黒重力子のコピーが無限に存在し、そのすべてが巨大です。」仮定された暗黒重力子の質量は、大まかに言えば、整数と定数の積です。 M、その値は宇宙定数に関連付けられています。そして、さまざまな質量とエネルギーレベルを持つそれらの「塔」全体が存在します。

これがどのように機能するかを理解するには、私たちの 4 次元の世界を球の表面として想像してください。私たちは、良くも悪くもその表面から離れることはできません。これは標準モデルのすべての粒子にも当てはまります。

しかし、重力がどこにでも存在するのと同じ理由で、重力子はどこにでも行くことができます。そしてそこに闇の次元が登場します。

その次元をイメージするには、私たちの四次元世界の想像上の表面上のすべての点を考え、それに小さなループを付けるとヴァファ氏は言いました。そのループは（少なくとも概略的には）余分な次元です。 100つの標準モデル粒子が衝突して重力子が生成されると、重力子は「その異次元の円に漏れ出て、波のようにその周りを移動する可能性がある」とヴァファ氏は述べた。 (量子力学によれば、重力子や光子を含むすべての粒子は、粒子と波の両方のように振る舞うことができます。これは、波動粒子の二重性として知られる XNUMX 年前の概念です。)

重力子が暗黒次元に漏れ出すと、重力子が生成する波は異なる周波数を持つ可能性があり、それぞれが異なるエネルギーレベルに対応します。そして、これらの巨大な重力子は、異次元のループの周りを移動し、ループが球体に付着する点で重大な重力の影響を生み出します。

「もしかしてこれが暗黒物質？」ヴァファは思案した。結局のところ、彼らがでっち上げた重力子は相互作用は弱いものの、ある程度の重力を集めることができた。同氏は、このアイデアの利点の 90 つは、重力子が重力の伝達体として最初に提案されて以来、XNUMX 年間にわたって物理学の一部であったことだと指摘しました。 （重力子は仮説上の粒子であり、直接検出されていないことに注意すべきである。）暗黒物質を説明するために、「新しい粒子を導入する必要はない」と彼は言う。

異次元領域に漏れ出す可能性のある重力子は「暗黒物質の自然な候補である」と述べた。 ゲオルギ・ドヴァリ、マックス・プランク物理学研究所の所長であり、暗黒次元のアイデアに直接取り組んでいません。

仮定された暗い次元のような大きな次元には、低周波数、低エネルギー、低質量の粒子を意味する長波長の余地があるでしょう。しかし、もし暗い重力子がひも理論の小さな次元の一つに漏れ出たとしたら、その波長は非常に短くなり、その質量とエネルギーは非常に大きくなるでしょう。このような超大質量粒子は不安定で、寿命が非常に短いと考えられます。ドヴァリ氏は、それらは「現在の宇宙で暗黒物質として機能する可能性がなければ、とうの昔に消滅しているだろう」と述べた。

重力とその運搬体である重力子は、弦理論のあらゆる次元に浸透しています。しかし、暗黒次元は他の追加次元よりもはるかに大きいため、重力の強さが弱まり、より広い暗黒次元にかなり浸透している場合、私たちの四次元世界では重力が弱く見えるでしょう。 。 「これは、重力と他の力との間の[強さの]異常な違いを説明しています」とドヴァリ氏は述べ、これと同じ効果が世界でも見られるだろうと指摘した。 その他の異次元シナリオ.

暗黒次元のシナリオが暗黒物質のようなものを予測できることを考えると、実証的なテストを行うことができます。 「私があなたに決してテストできない相関関係を与えたとしても、私が間違っていることを証明することは決してできないでしょう」と、この論文の共著者であるバレンズエラは述べた。 オリジナルのダークディメンジョンペーパー。 「実際に証明または反証できるものを予測する方がはるかに興味深いのです。」

闇のなぞなぞ

天文学者は、1978 年に天文学者のベラ・ルービンが、銀河が非常に速く回転しているため、目に見えない物質の広大な貯蔵庫がなければ、その最外周の星は遠くに飛ばされてしまうであろうということを証明して以来、少なくとも何らかの形で暗黒物質が存在することを知っていました。それらを妨げる物質。しかし、その物質を特定することは非常に困難であることが判明しました。暗黒物質を検出するために40年近く実験が続けられてきたにもかかわらず、そのような粒子は見つかっていません。

仮に暗黒物質が非常に弱い相互作用をする暗黒重力子であることが判明したとしても、それは変わらないだろうとヴァファ氏は語った。 「彼らが直接見つかることは決してないでしょう。」

しかし、それらの重力子の痕跡を間接的に発見する機会があるかもしれません。

Vafa と彼の共同研究者が追求している戦略の 1 つは、銀河と物質の分布を図表化する大規模な宇宙論的調査に基づいています。これらの分布では「クラスタリングの挙動に小さな違い」が存在する可能性があり、それは暗黒重力子の存在を示す可能性があるとオビード氏は述べた。

より重い暗黒重力子が崩壊すると、親粒子の質量よりわずかに小さい合計質量を持つ、より軽い一対の暗黒重力子が生成されます。失われた質量は運動エネルギーに変換されます (アインシュタインの公式に従って、 E = mc²）、新しく作成された重力子に少しブーストを与え、光速の約1万分の1と推定される「キック速度」を与えます。

これらのキック速度は、銀河の形成方法に影響を与える可能性があります。標準的な宇宙論モデルによれば、銀河は物質の塊から始まり、その重力によってさらに多くの物質が引き寄せられます。しかし、十分なキック速度を持つ重力子は、この重力のグリップから逃れることができます。もしそうなった場合、結果として生じる銀河の質量は、標準的な宇宙論モデルが予測するよりもわずかに小さくなるでしょう。天文学者はこの違いを探すことができます。

キロ度調査による宇宙構造の最近の観察は、これまでのところ暗黒次元と一致しています: その調査からのデータの分析 上限を設けた キック速度については、Obied とその共著者が予測した値に非常に近かった。昨年7月に打ち上げられたユークリッド宇宙望遠鏡では、より厳格なテストが行​​われる予定だ。

一方、物理学者らは実験室で暗黒次元のアイデアをテストすることも計画している。重力が直径 1 ミクロンの暗い次元に漏れている場合、原理的には、同じ距離だけ離れた XNUMX つの物体間に予想される重力からの逸脱を探すことができます。実行するのは簡単な実験ではない、と アーミン・シャエギ、テストを実施しているオーストリア科学アカデミーの物理学者。しかし、「なぜこの実験をしなければならないのかという単純な理由があります」と彼は付け加えた。「これほど近い距離で重力がどのように作用するかは、実際に見てみるまでは分からない」という。

　 現在までに最も近い測定値 2020年にワシントン大学で実施されたこの実験では、52つの試験体間の距離が1ミクロンであった。オーストリアのグループは、最終的には暗黒次元として予測されているXNUMXミクロンの範囲に到達したいと考えている。

物理学者たちは暗黒次元の提案に興味をそそられる一方、それがうまくいくかどうか懐疑的な人もいる。 「より正確な実験を通じて余分な次元を探すことは非常に興味深いことです」と彼は言いました。 ファン・マルダセナ高等研究所の物理学者は、「しかし、それらを発見する確率は低いと思います。」

ジョセフ・コンロンオックスフォード大学の物理学者である彼も、その懐疑論を共有しています。これもその 1 つです。その根拠となっている推測はいくぶん野心的であり、現在の証拠はかなり弱いと思います。」

もちろん、証拠の重みは変化する可能性があるため、そもそも実験を行うのです。暗黒次元の提案は、今後の実験によって裏付けられれば、暗黒物質とは何か、暗黒物質が暗黒エネルギーと重力の両方にどのように関係しているのか、そしてなぜ重力が他の既知の力と比べて弱く見えるのか、その理解にさらに近づく可能性がある。 「理論家は常にこの『結びつき』を行おうとしています。闇の次元は、私がこの方向で聞いた中で最も有望なアイデアの 1 つです」とゴパクマー氏は語った。

しかし、皮肉なことに、暗黒次元仮説で説明できないことの 1 つは、なぜ宇宙定数が驚くほど小さいのかということです。この不可解な事実が、本質的にこの一連の調査の始まりとなったのです。 「この番組がその事実を説明していないのは事実です」とヴァファ氏は認めた。 「しかし、このシナリオから言えることは、ラムダが小さい場合、そしてその結果を詳しく説明すると、一連の驚くべきことがうまくいく可能性があるということです。」