Die Krise des Standardmodells: Physiker überdenken die Natur der Natur

Obwohl das Standardmodell als eine der erfolgreichsten physikalischen Theorien aller Zeiten gilt, mehren sich in den letzten Jahren die Anzeichen dafür, dass das Standardmodell in einer Krise steckt. Tatsächlich war das Standardmodell seit seiner Einführung nicht perfekt und es ist nicht einmal eine selbstkonsistente Theorie. Es sei „unnatürlich“, insbesondere im Hinblick auf das „Hierarchieproblem“, das durch die Masse des Higgs-Bosons aufgeworfen werde und für das es noch immer keine grundlegende Antwort gebe. Es gibt eine einfache und praktische Theorie, die diese Probleme erklären kann: die Supersymmetrietheorie. Doch experimentell konnte der leistungsstärkste Kollider bisher keine supersymmetrischen Teilchen finden. Dies hat viele Physiker dazu gezwungen, die Natur des Modells zu überdenken, und vielleicht ist auf der grundlegendsten Ebene das reduktionistische Denken nicht die Antwort, auch wenn es die Entwicklung der Physik über Hunderte von Jahren hinweg bestimmt hat. Mittlerweile haben viele Physiker ein „gemischtes“ Modell verschiedener Energieskalen gefunden, um das Problem der „Natürlichkeit“ zu lösen und damit die ursprüngliche reduktionistische Form aufzubrechen.

Von Natalie Wolchover

Übersetzung | Liu Hang

Fast drei Jahrzehnte lang haben Wissenschaftler vergeblich nach neuen Elementarteilchen gesucht, die die von uns beobachtete Natur erklären könnten. Angesichts der erfolglosen Suche nach neuen Teilchen sind Physiker gezwungen, eine lange bestehende Annahme zu überdenken: dass Großes aus Kleinem besteht.

Emily Buder/Quanta Magazine;

Kristina Armitage und Rui Braz für das Quanta Magazine [Bitte gehen Sie zum offiziellen „Fanpu“-Konto, um das Video anzusehen]

In seinem klassischen Werk „Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen“ stellte der Wissenschaftsphilosoph Thomas Kuhn fest, dass Wissenschaftler manchmal lange brauchen, um einen kleinen Schritt zu machen. Sie stellen ein schwieriges Problem dar und versuchen, es zu lösen, indem sie alle Daten in eine feste Weltanschauung oder einen theoretischen Rahmen integrieren, den Kuhn als Paradigma bezeichnet. Früher oder später werden jedoch Fakten ans Licht kommen, die im Widerspruch zum vorherrschenden Paradigma stehen. Es kommt zur Krise. Die Wissenschaftler zerbrachen sich den Kopf, überprüften ihre Annahmen und führten schließlich revolutionäre Veränderungen in Richtung eines neuen Paradigmas durch, einem grundlegend anderen und realistischeren Verständnis der Natur. Dann setzte sich der stetige Fortschritt der Wissenschaft fort.

Seit Jahren sind Teilchenphysiker, die die grundlegendsten Bausteine ​​der Natur erforschen, von der Kuhn-Krise, wie sie im Lehrbuch steht, erfasst.

Die Krise wurde im Jahr 2016 nicht mehr zu leugnen. Trotz einer damals durchgeführten umfassenden Modernisierung konnte der Large Hadron Collider (LHC) in Genf bislang keine neuen Elementarteilchen „herbeirufen“ – etwas, was Theoretiker seit Jahrzehnten erwartet hatten. Der zusätzliche Schwarm soll vor allem ein Rätsel um ein bekanntes Teilchen lösen: das berühmte Higgs-Boson. Dieses Rätsel wird als Hierarchieproblem bezeichnet: „Warum ist das Higgs-Boson so leicht“ – 1017-mal kleiner als die höchste in der Natur vorkommende Energieskala. Im Vergleich zu diesen höheren Energien erscheint die Masse des Higgs-Teilchens unnatürlich klein, als ob sich die riesigen Zahlen in den Grundgleichungen, die seinen Wert bestimmen, auf wundersame Weise aufgehoben hätten.

Die zusätzlichen Teilchen könnten erklären, warum die Masse des Higgs-Teilchens (im Vergleich zur Planck-Skala) so gering ist, und so die von Physikern als „Natürlichkeit“ bezeichnete Masse ihrer Gleichungen wiederherstellen. Auch nachdem der Large Hadron Collider zum dritten und größten Collider wurde, haben die Physiker sie noch immer nicht gefunden. Dies scheint darauf hinzudeuten, dass die Logik unserer aktuellen Theorien darüber, was natürlich ist, selbst falsch sein könnte. „Wir müssen die Prinzipien überdenken, die uns jahrzehntelang geleitet haben, um die grundlegendsten Probleme der physikalischen Welt anzugehen“, sagte Gian Giudice, Leiter der Theorieabteilung des CERN, im Jahr 2017.

Zunächst verzweifelte die Gemeinschaft der Teilchenphysiker. „Es herrschte ein spürbares Gefühl des Pessimismus“, sagte Isabel Garcia Garcia, Teilchentheoretikerin am Kavli Institute for Theoretical Physics der University of California in Santa Barbara, die damals Doktorandin war. Tatsache ist, dass nicht nur ein 10 Milliarden Dollar teurer Protonenbeschleuniger eine 40 Jahre alte Frage nicht beantworten konnte, sondern dass auch die Überzeugungen und Strategien, die der Teilchenphysik lange Zeit zugrunde lagen, nicht länger haltbar sind. Die Menschen fragen sich mehr denn je, ob das Universum, in dem wir leben, wirklich unnatürlich ist und lediglich das Produkt fein abgestimmter mathematischer Aufhebungen. Es könnte tatsächlich ein Multiversum geben, mit zufällig angepassten Higgs-Massen und anderen Parametern. wir befinden uns nur hier, weil die einzigartigen Eigenschaften unseres Universums die Bildung von Atomen, Sternen und Planeten und damit die Geburt des Lebens ermöglicht haben. Dieses „anthropische Argument“ ist zwar wahrscheinlich richtig, aber frustrierenderweise nicht überprüfbar.

Viele Teilchenphysiker haben sich anderen Fachgebieten zugewandt, sagt Nathaniel Craig, ein theoretischer Physiker an der University of California in Santa Barbara, „wo die Probleme nicht so schwierig sind wie das Hierarchieproblem.“

Nathaniel Craig und Isabel Garcia Garcia erforschen, wie die Schwerkraft dabei hilft, die sehr unterschiedlichen Energieskalen in der Natur in Einklang zu bringen. Bildquelle: Jeff Liang

Einige Physiker bereiten sich darauf vor, eine Jahrzehnte alte Hypothese genauer unter die Lupe zu nehmen. Sie begannen, markante unnatürliche Merkmale der Natur zu überdenken, die unnatürlich fein abgestimmt schienen, wie etwa die geringe Masse des Higgs-Bosons und eine scheinbar unabhängige Tatsache: die unnatürlich niedrige Energie des Weltraums selbst. „Das wirklich grundlegende Problem ist die Frage der Natürlichkeit“, sagte Garcia.

Ihre reflektierende Arbeit trägt Früchte. Forscher sind zunehmend besorgt über die Schwächen der traditionellen Argumentation zur Natürlichkeit. Es beruht auf einer trügerisch harmlosen Annahme, die seit den alten Griechen als wissenschaftlich anerkannt ist: dass große Dinge aus kleineren, grundlegenderen Dingen bestehen – eine Idee, die als Reduktionismus bekannt ist. „Das reduktionistische Paradigma ist eng mit der Frage der Natürlichkeit verbunden“, sagte Nima Arkani-Hamed, theoretische Physikerin am Institute for Advanced Study in Princeton, New York.

Mittlerweile sind immer mehr Teilchenphysiker davon überzeugt, dass das Natürlichkeitsproblem und die Nullergebnisse des LHC mit dem Zusammenbruch des Reduktionismus zusammenhängen könnten. „Ist das ein Wendepunkt?“ fragte Arkani-Hamid. In einer Reihe neuerer Arbeiten werfen Forscher den Reduktionismus über Bord. Sie erforschen neue Möglichkeiten, wie verschiedene Skalen zusammenarbeiten könnten, was zu Parameterwerten führt, die aus einer reduktionistischen Perspektive unnatürlich fein abgestimmt erscheinen.

„Manche Leute sprechen von einer Krise. Es herrscht ein Hauch von Pessimismus, aber ich sehe das anders“, sagte Garcia. „Ich habe das Gefühl, dass jetzt die Zeit ist, etwas Tiefgreifendes zu tun.“

Was ist Natürlichkeit?

Im Jahr 2012 machte der Large Hadron Collider (LHC) schließlich seine wichtigste Entdeckung – das Higgs-Boson, das den Eckpfeiler der 50 Jahre alten Gleichungen des Standardmodells (SM) der Teilchenphysik bildet, das die 17 bekannten Elementarteilchen beschreibt.

Die Entdeckung des Higgs-Teilchens bestätigt eine faszinierende Geschichte, die in den Gleichungen des Standardmodells beschrieben wird. Wenige Augenblicke nach dem Urknall war der gesamte Weltraum plötzlich mit Energie aus einer Entität namens Higgs-Feld gefüllt. Das hochenergetische Higgs-Feld ist mit Higgs-Bosonen gefüllt und Elementarteilchen gewinnen durch die Energie des Higgs-Feldes an Masse. Wenn sich Elektronen, Quarks und andere Teilchen durch den Raum bewegen, interagieren sie mit dem Higgs-Boson und erhalten auf diese Weise Masse.

Fast unmittelbar nach der Fertigstellung des Standardmodells im Jahr 1975 bemerkten seine Entwickler ein Problem[1].

Wenn das Higgs-Teilchen anderen Teilchen Masse verleiht, beeinflussen die Massen anderer Teilchen wiederum die Masse des Higgs-Teilchens. alle Teilchen interagieren miteinander. Physiker können eine Gleichung für die Masse des Higgs-Bosons aufstellen, die die Auswirkungen aller Teilchen berücksichtigt, mit denen es interagiert. Alle entdeckten massiven Teilchen des Standardmodells tragen zur Gleichung bei, grundsätzlich sollte die Gleichung jedoch auch andere Beiträge enthalten. Das Higgs-Teilchen sollte mit mathematisch schwereren Teilchen vermischt sein (wechselwirken), bis hin zu Phänomenen auf der Planck-Skala und Energieniveaus, die mit den Quanteneigenschaften der Schwerkraft, schwarzen Löchern und dem Urknall verbunden sind. Die Phänomenologie auf der Planck-Skala würde im Prinzip einen um Größenordnungen größeren Term zur Higgs-Masse beitragen – in der Größenordnung des 1017-fachen der tatsächlichen Higgs-Masse. Natürlich würden wir erwarten, dass das Higgs-Boson etwa die gleiche Masse wie diese hat, wodurch die Masse der anderen Elementarteilchen zunimmt. Dies hätte zur Folge, dass die Teilchen zu schwer wären, um Atome zu bilden und das Universum leer wäre.

Um zu erklären, wie das Higgs-Teilchen trotz derart hoher Energien so leicht sein kann, muss man davon ausgehen, dass ein Teil des Beitrags zu seiner Masse auf der Planck-Skala negativ und ein anderer Teil positiv ist und dass beide so fein abgestimmt sind, dass sie sich gegenseitig genau aufheben. Dies erscheint lächerlich, es sei denn, es gibt dafür einen Grund – genauso wie sich der Luftstrom und die Vibrationen des Tisches gegenseitig aufheben, um die Spitze eines Bleistifts im Gleichgewicht zu halten. Physiker glauben, dass diese fein abgestimmte Aufhebung „unnatürlich“ ist.

In den darauffolgenden Jahren haben Physiker eine geniale Lösung gefunden: die Supersymmetrie, eine Theorie, die eine Verdoppelung der Elementarteilchen in der Natur postuliert. In der supersymmetrischen Theorie hat jedes Boson (mit ganzzahligem Spin) einen supersymmetrischen Partner, ein Fermion (mit halbzahligem Spin) und umgekehrt. Bosonen und Fermionen tragen jeweils positive und negative Terme zur Higgs-Masse bei. Wenn die beiden also immer paarweise auftreten, heben sie sich immer gegenseitig auf.

Seit den 1990er Jahren sucht der Large Electron-Positron Collider nach supersymmetrischen Partnern. Die Forscher gingen von der Hypothese aus, dass diese Teilchen nur geringfügig schwerer seien als ihre Gegenstücke im Standardmodell und dass für ihre Erzeugung mehr Kollisionsenergie erforderlich sei. Daher beschleunigten sie die Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit, ließen sie zusammenstoßen und suchten dann in den Trümmern nach den schweren Begleitern.

Hierarchieproblem: Das Higgs-Boson verleiht anderen Elementarteilchen Masse, die wiederum die Masse des Higgs-Bosons beeinflussen. Supermassive Teilchen auf der Planck-Skala (der Hochenergieskala, die mit der Quantengravitation in Verbindung gebracht wird) sollten die Masse des Higgs-Bosons und damit auch die Masse aller anderen Teilchen erhöhen. Aber das ist nicht der Fall.

Problem: Die Masse des Higgs-Bosons ist Hunderte Milliarden Mal kleiner als die Planck-Skala.

Mögliche Lösung 1: Der Planck-Skaleneffekt wird abgeschwächt, da bei höheren Energien die vollständigere Higgs-Boson-Theorie gültig ist.

Mögliche Lösung 2: Die Higgs-Skala und die Planck-Skala sind durch eine komplexe Reihe von Push-Pull-Effekten verknüpft.

Obwohl das Vakuum frei von Materie ist, scheint es voller Energie zu sein – den Schwankungen aller Quantenfelder, die es durchdringen. Als Teilchenphysiker alle möglichen Beiträge zur Energie des Weltraums zusammenzählten, stellten sie fest, dass – wie bei der Higgs-Masse – eine Energiezufuhr aus der Phänomenologie der Planck-Skala eine Explosion seiner Masse (bis ins Unendliche) verursachen würde. Albert Einstein wies nach, dass eine Energie im Weltraum, die er kosmologische Konstante nannte, eine gravitativ abstoßende Wirkung hat. Es führt dazu, dass sich der Raum immer schneller ausdehnt. Wäre der Weltraum mit einer Energiedichte im Planck-Maßstab durchdrungen, wäre das Universum einen Augenblick nach dem Urknall auseinandergerissen worden. Aber das ist nicht passiert.

Stattdessen beobachten Kosmologen, dass sich die Ausdehnung des Weltraums nur langsam beschleunigt, was darauf schließen lässt, dass die kosmologische Konstante klein ist. Messungen im Jahr 1998 zeigten, dass ihr Wert hoch 1/4 1030-mal niedriger ist als die Planck-Energie. Diesmal schienen sich alle enormen Energieein- und -ausgänge in der Gleichung der kosmologischen Konstante perfekt aufzuheben und hinterließen ein unheimlich ruhiges Vakuum.

„Die Schwerkraft ... vermischt die Physik aller Längenskalen – kurze Distanzen, lange Distanzen. Aufgrund dieser Eigenschaft bietet sie einen Ausweg aus den Problemen, mit denen wir konfrontiert sind.“

– Nathaniel Craig

Diese beiden großen Natürlichkeitsprobleme waren seit den späten 1970er Jahren bekannt, doch Jahrzehnte lang gingen Physiker davon aus, dass sie nichts miteinander zu tun hätten. „Damals herrschte große Begeisterung darüber“, sagt Arkani-Hamed. Das Problem der kosmologischen Konstante schien mit der mysteriösen Quantennatur der Schwerkraft verbunden zu sein, da die Energie des Weltraums nur durch seine Gravitationseffekte nachgewiesen werden konnte. Hamid sagt, das Hierarchieproblem sehe eher wie ein „kleines schmutziges Detailproblem“ aus – die Art von Rätseln, die wie andere Rätsel in der Vergangenheit irgendwann ein fehlendes Stück der Theorie enthüllen werden. Weil das Higgs-Boson so leicht ist, nennt Giudice es „Higgs-Boson-Krankheit“, die nicht durch ein paar supersymmetrische Teilchen im Large Hadron Collider geheilt werden kann.

Im Nachhinein betrachtet erscheinen diese beiden Fragen zur Natürlichkeit eher als unterschiedliche Erscheinungsformen desselben tieferen Problems.

„Es ist nützlich, darüber nachzudenken, wie diese Probleme entstanden sind“, sagte Garcia diesen Winter in einem Zoom-Anruf aus Santa Barbara. „Das Hierarchieproblem und das Problem der kosmologischen Konstante entstehen teilweise aufgrund der Werkzeuge, die uns zur Beantwortung der Fragen zur Verfügung stehen – der Art und Weise, wie wir die Eigenschaften des Universums verstehen.“

Die präzisen Vorhersagen des Reduktionismus

Physiker haben die Higgs-Masse und die kosmologische Konstante auf ihre eigene Art und Weise ehrlich berechnet. Der rechnerische Ansatz spiegelt die seltsame Matrjoschka-Struktur der natürlichen Welt wider.

Wenn Sie ein Objekt vergrößern, werden Sie erkennen, dass es eigentlich aus vielen kleineren Teilen besteht. Die von uns weit entfernten Galaxien sind eigentlich eine Ansammlung riesiger Mengen von Sternen. jeder Stern besteht aus vielen Atomen; und jedes Atom kann weiter in eine subatomare Hierarchie zerlegt werden. Wenn Sie auf kürzere Entfernungsskalen zoomen, sehen Sie schwerere, energiereichere Elementarteilchen und Phänomene – eine tiefgreifende Verbindung zwischen hohen Energien und kurzen Entfernungen, die erklärt, warum Hochenergie-Partikelbeschleuniger wie Mikroskope des Universums sind. Der Zusammenhang zwischen hohen Energien und kurzen Entfernungen hat in der gesamten Physik viele Erscheinungsformen. Die Quantenmechanik besagt beispielsweise, dass Teilchen Wellen sind; Je massereicher ein Teilchen ist, desto kürzer ist die zugehörige Wellenlänge. Eine andere Ansicht ist, dass Energie dichter gepackt werden muss, um kleinere Objekte zu bilden. Physiker bezeichnen die Physik niedriger Energie und großer Entfernungen als „Infrarot“ (IR) und die Physik hoher Energie und kurzer Entfernungen als „Ultraviolett“ (UV). Als Analogie verwenden sie die infraroten (IR) und ultravioletten (UV) Wellenlängen des Lichts.

In den 1960er und 1970er Jahren wiesen die Teilchenphysik-Giganten Kenneth Wilson und Steven Weinberg auf eine interessante Sache über die Energieniveaustruktur der Natur hin: Wenn wir uns nur dafür interessieren, was auf der makroskopischen Infrarot-Energieskala geschieht, müssen wir nicht wissen, was „wirklich“ auf der mikroskopischen Ultraviolett-Energieskala geschieht. Sie können beispielsweise Wasser mithilfe einer Strömungsdynamikgleichung modellieren, die Wasser als ideale Flüssigkeit behandelt und die komplexe Dynamik der Wassermoleküle ignoriert. Die Gleichungen der Fluiddynamik enthalten einen Term, der die Viskosität von Wasser charakterisiert – eine Größe, die auf der Infrarot-Energieskala gemessen werden kann, was die Wechselwirkungen aller Wassermoleküle auf der Ultraviolett-Energieskala einschließt. Physiker sagen, dass die Energieskalen im Infrarot- und Ultraviolettbereich voneinander „entkoppelt“ seien, was es ihnen ermögliche, die Welt effektiv zu beschreiben, ohne die tiefsten Ebenen untersuchen zu müssen. Die ultimative ultraviolette Energieskala, die Planck-Skala, entspricht einer Energie von 10^(-35) Metern oder 10^19 GeV. Möglicherweise ist in einer so empfindlichen Raum-Zeit-Struktur noch eine weitere Szene verborgen.

Kenneth Wilson, ein amerikanischer Festkörper- und Teilchenphysiker, der von den 1960er- bis in die frühen 2000er-Jahre aktiv war, entwickelte eine mathematische Methode (Gitterquantenfeldtheorie) zur Beschreibung, wie sich die Eigenschaften eines Systems ändern, wenn sich der Maßstab ändert, auf dem es gemessen wird.丨Bildquelle: Cornell University Faculty Archives Nr. 47-10-3394, Sammlung seltener Ressourcen und Manuskripte, Cornell University Library.

„Wir können immer noch Physik betreiben, weil wir nicht wissen müssen, was auf kurzen Distanzen passiert“, sagte Riccardo Rattazzi, theoretischer Physiker an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne.

Wie simulieren Teilchenphysiker es, genau wie die verschiedenen Ebenen der Matrjoschka-Welt? Wilson und Weinberg entwickelten unabhängig voneinander ihr Rahmenwerk: die Effektive Feldtheorie (EFT). Im Kontext der effektiven Feldtheorie stellt sich die Frage der Natürlichkeit.

Die effektive Feldtheorie kann ein System innerhalb eines bestimmten Energieskalenbereichs simulieren. Nehmen wir als Beispiel einen Strahl aus Protonen und Neutronen. Wenn Sie die Protonen und Neutronen vergrößern, sehen sie immer noch wie Protonen und Neutronen aus. Innerhalb dieses Bereichs kann ihre Dynamik mithilfe der „chiralen effektiven Feldtheorie“ (Chiral EFT) beschrieben werden. Bei einer weiteren Vergrößerung erreicht die effektive Feldtheorie jedoch ihren „Ultraviolett-Grenzwert“, d. h., im Nahbereich und bei hohen Energien stellt die chirale effektive Feldtheorie keine gültige Beschreibung des Systems mehr dar. Beispielsweise bricht die chirale effektive Feldtheorie am 1-GeV-Grenzwert zusammen, weil sich Protonen und Neutronen nicht mehr wie einzelne Teilchen, sondern wie drei Quarks verhalten. Und eine andere Theorie kam ins Spiel.

Es ist wichtig zu beachten, dass es einen Grund gibt, warum die effektive Feldtheorie an ihrer Ultraviolett-Grenzlinie zusammenbricht. Trunkierung bedeutet, dass hier neue Teilchen oder Phänomene mit höherer Energie gefunden werden müssen, und diese neuen Teilchen oder Phänomene sind in der ursprünglichen effektiven Feldtheorie nicht enthalten. Wie lösen wir also dieses Problem?

In dem Energiebereich, in dem dies anwendbar ist, verwenden Wissenschaftler die effektive Feldtheorie, um die unbekannten Effekte der Ultraviolettphysik oberhalb der Grenzfrequenz in einem „Korrekturterm“ zu absorbieren. Es ist, als ob die Flüssigkeitsgleichungen einen Viskositätsterm hätten, um den Nettoeffekt molekularer Kollisionen über kurze Distanzen zu erfassen. Physiker können diese Korrekturen schreiben, ohne die wahre Physik des Grenzwerts zu kennen. Sie verwenden lediglich den kritischen Wert, um die Größe des Effekts abzuschätzen.

Wenn Sie bei IR-Skalen Berechnungen zu relevanten Größen durchführen, sind die UV-Korrekturen normalerweise klein und proportional zu den (relativ kleinen) Längenskalen, bei denen der Grenzwert relevant ist. Anders verhält es sich jedoch, wenn man die effektive Feldtheorie zur Berechnung von Parametern verwendet, die als Masse- oder Energieeinheiten vorliegen, wie etwa die Masse des Higgs-Bosons oder die kosmologische Konstante. Die UV-Korrekturen dieser Parameter sind groß, da (um die richtigen Dimensionen zu haben) die Korrekturen proportional zur Energie sind und nicht zur Länge, die dem Cutoff entspricht. Obwohl die Länge also gering ist, ist die Energie hoch. Solche Parameter werden als „UV-empfindlich“ bezeichnet.

Die effektive Feldtheorie ist eine Strategie, die bestimmt, wo die eigene Theorie enden muss (d. h. bei der Energieskala, bei der neue physikalische Gesetze entstehen). Das Konzept der Natürlichkeit entstand in den 1970er Jahren zusammen mit der effektiven Feldtheorie selbst. Die Logik dahinter ist folgende: Wenn ein Massen- oder Energieparameter einen hohen Grenzwert hat, sollte sein Wert natürlich groß sein und durch alle UV-Korrekturen noch weiter in die Höhe getrieben werden. Wenn der Parameter klein ist, sollte die Abschaltenergie daher niedriger sein.

Einige Kritiker argumentieren, Natürlichkeit sei lediglich eine ästhetische Vorliebe. Andere weisen jedoch darauf hin, dass die Strategie verborgene Wahrheiten über die Natur enthüllt. „Die Logik ist tragfähig“, sagte Craig. Er ist eine führende Stimme bei der jüngsten Neubewertung dieser Logik. Die Frage nach der Natürlichkeit „war schon immer ein Wegweiser, der uns zeigt, wo sich das Bild ändert und neue physikalische Erkenntnisse entstehen.“

Die Pracht der Natur

Im Jahr 1974, einige Jahre bevor der Begriff „Natürlichkeit“ geprägt wurde, nutzten Mary K. Gaillard und Benjamin Whisoh Lee diese Strategie, um eine bemerkenswerte Vorhersage der Masse eines damals hypothetischen Teilchens namens Charm-Quark zu treffen.[2] „Ihre Erfolgsprognosen und ihre Relevanz für die Notenfrage werden in unserem Bereich stark unterschätzt“, sagte Craig.

In jenem Sommer 1974 waren Gaillard und Lee verblüfft über die Größe des Massenunterschieds zwischen zwei Kaonen, zusammengesetzten Teilchen aus einem Quark und einem Antiquark. Die Maße minderer Qualität sind klein. Als sie jedoch versuchten, diesen Massenunterschied mithilfe der Gleichungen der effektiven Feldtheorie zu berechnen, stellten sie fest, dass die Gefahr bestand, dass dieser Wert überläuft. Da die Massendifferenz des Kaons Masseneinheiten hat, ist es empfindlich gegenüber Ultraviolett und erhält an der Grenzfläche hochenergetische Korrekturen aus unbekannter Physik. Der Grenzwert der Theorie war nicht bekannt, doch die Physiker waren damals der Meinung, dass er nicht sehr hoch sein könne, da sonst der resultierende Unterschied in der Kaonenmasse im Vergleich zum Korrekturwert überraschend klein erscheinen würde – unnatürlich, wie Physiker heute sagen. Gaillard und Li schlussfolgerten, dass die Grenzenergieskala der effektiven Feldtheorie relativ niedrig sei, bei der die neue Physik entstehen sollte. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Masse eines neu vorgeschlagenen Teilchens namens Charm-Quark 1,5 GeV nicht überschreiten sollte.

Drei Monate später wurde das Charm-Quark mit einer Masse von 1,2 GeV experimentell entdeckt. Diese Entdeckung löste eine Renaissance des Wissens aus, die als „Novemberrevolution“ bekannt wurde, und führte rasch zur Fertigstellung des Standardmodells. In einem kürzlichen Videoanruf erinnerte sich die 82-jährige Gaillard daran, dass sie in Europa war, um CERN zu besuchen, als die Nachricht bekannt wurde. Li schickte ihr ein Telegramm: Charmed-Quarks wurden entdeckt.

Im Jahr 1974 verwendeten Mary K. Gaillard und Ben Lee das Natürlichkeitsargument, um die Masse eines hypothetischen Elementarteilchens namens Charm-Quark vorherzusagen. Das Charm-Quark wurde einige Monate später entdeckt. (Das obige Bild wurde in den 1990er Jahren aufgenommen)丨Fotoquelle: AIP Emilio Segrè Visual Archives

Ein solcher Sieg überzeugte viele Physiker davon, dass die durch das Hierarchieproblem vorhergesagten neuen Teilchen nicht viel schwerer sein sollten als das Standardmodell. Wenn der Grenzwert des Standardmodells hoch liegt, nahe der Planck-Energieskala (wenn dies der Fall ist, wüssten die Wissenschaftler mit Sicherheit, dass das Standardmodell versagt, weil es die Quantengravitation nicht berücksichtigt), dann wäre die Ultraviolettkorrektur der Higgs-Masse enorm – eine so leichte Higgs-Masse wäre natürlich unnatürlich. Wenn der Grenzwert nicht weit über der Masse des Higgs-Bosons liegt, entspricht die Masse des Higgs-Teilchens in etwa der Korrektur vom Grenzwert und alles sieht natürlich aus. „Die Wahl des Grenzwertes war der Ausgangspunkt für die letzten 40 Jahre der Arbeit zur Lösung des Hierarchieproblems“, sagte Garcia. „Es kamen großartige Ideen auf, wie Supersymmetrie, [Higgs-]Zusammensetzung und andere Möglichkeiten, die wir in der Natur noch nicht beobachtet haben.“

Im Jahr 2016, einige Jahre nach Beginn ihrer Promotion in Teilchenphysik an der Universität Oxford, wurde Garcia klar, dass eine Abrechnung notwendig war. „Damals begann ich mich mehr für das fehlende Puzzleteil zu interessieren, das wir bei der Diskussion dieser Probleme normalerweise nicht berücksichtigen, nämlich die Gravitation. Mir wurde klar, dass die Quantengravitation viel mehr beinhaltet, als wir aus der effektiven Feldtheorie ableiten können.“

Die Schwerkraft vermischt alles

In den 1980er Jahren stellten Theoretiker fest, dass die Schwerkraft nicht den üblichen reduktionistischen Regeln gehorcht. Wenn zwei Teilchen mit großer Kraft zusammenprallen, staut sich an der Kollisionsstelle Energie und es kann sogar ein Schwarzes Loch entstehen – ein Bereich, in dem die Schwerkraft so stark ist, dass nichts entkommen kann. Würden die Teilchen heftiger zusammenprallen, würden sie ein größeres Schwarzes Loch bilden. Mehr Energie führt nicht dazu, dass Sie kürzere Entfernungen sehen; je stärker der Zusammenstoß erfolgt, desto größer wird der unsichtbare Bereich – ein Widerspruch zum Reduktionismus. Schwarze Löcher und die Quantengravitationstheorien, die ihr Inneres beschreiben, stellen die übliche Beziehung zwischen hohen Energien und kurzen Entfernungen völlig auf den Kopf. „Die Schwerkraft ist antireduktionistisch“, sagt Sergei Dubovsky, Physiker an der New York University.

Die Quantengravitation schien der Architektur der Natur einen Streich zu spielen und machte das saubere, übersichtliche System verschachtelter Energieskalen, an das Physiker mit der effektiven Feldtheorie gewöhnt waren, zur Farce. Wie Garcia begann Craig, über die Auswirkungen der Schwerkraft nachzudenken, kurz nachdem die Suche nach dem Large Hadron Collider erfolglos geblieben war. Während Craig verschiedene neue Wege zur Lösung des Hierarchieproblems ausprobierte, las er erneut einen Aufsatz über Natürlichkeit aus dem Jahr 2008 von Giudice, einem theoretischen Physiker am CERN. Giudice schrieb, dass die Lösung des Problems der kosmologischen Konstante „ein kompliziertes Zusammenspiel zwischen Infrarot- und Ultravioletteffekten“ beinhalten könnte, und Craig begann, sorgfältig über die Auswirkungen nachzudenken. Würde es zwischen Infrarot- und Ultraviolettstrahlung ein kompliziertes Zusammenspiel geben, würde dies die übliche Entkopplung verletzen, die die Grundlage für die effektive Funktionsweise einer Feldtheorie bildet. „Ich habe Dinge wie ‚Ultraviolett-Infrarot-Mischung‘ gegoogelt.“ Craig sagte, dies habe ihn zu einigen interessanten Artikeln aus dem Jahr 1999 geführt, „und dann habe ich angefangen, in diese Richtung zu denken.“ „

Die UV-IR-Mischung könnte das Problem der Natürlichkeit lösen, indem sie das reduktionistische Regime der effektiven Feldtheorie durchbricht. Das Problem der Natürlichkeit entsteht, wenn Größen wie die Higgs-Masse und die kosmologische Konstante in der effektiven Feldtheorie UV-empfindlich sind, aber aus irgendeinem Grund nicht explodieren, als ob die gesamte UV-Physik auf eine Verschwörung gestoßen wäre – alle UV-Effekte heben sich auf. „In der Logik der effektiven Feldtheorie geben wir diese Möglichkeit auf“, erklärte Craig. Der Reduktionismus besagt, dass die Infrarotphysik aus der Ultraviolettphysik abgeleitet ist – die Viskosität des Wassers ergibt sich aus seiner Molekulardynamik, die Eigenschaften des Protons aus den Quarks in seinem Inneren und wenn man die Energieskala vergrößert, ergibt sich die Interpretation – nicht umgekehrt. Allerdings wird das Ultraviolett nicht durch das Infrarot beeinflusst oder erklärt, „deshalb kann aus sehr unterschiedlichen Energieniveaus nicht auf die Wirkung des (Ultravioletteffekts) auf das Higgs-Teilchen geschlossen werden.“

Die Frage, die Craig nun stellt, lautet: „Bricht die Logik der effektiven Feldtheorie zusammen?“ Vielleicht ist zwischen Ultraviolett und Infrarot tatsächlich eine Interpretation in beide Richtungen möglich. „Es ist nicht völlig absurd, denn wir wissen, dass die Schwerkraft dazu in der Lage ist“, sagte er. Die Gravitation genügt nicht den üblichen Anforderungen der effektiven Feldtheorie, da sie die Physik auf allen Längenskalen – kurze und lange Distanzen – vermischt. Dank dieser Eigenschaft gibt es einen Ausweg aus unserem Problem.

Wie UV-IR-Hybride die Natürlichkeit schützen

Mehrere neue Studien zur UV-IR-Mischung und wie sie das Natürlichkeitsproblem angeht, lassen sich auf zwei 1999 veröffentlichte Artikel zurückführen. „Das Interesse an diesen exotischeren, nicht-feldtheoretischen Lösungen wächst“, sagt Patrick Draper, Professor an der University of Illinois at Urbana-Champaign, dessen aktuelle Arbeit[3] dort ansetzt, wo der Artikel von 1999 aufgehört hat.

Draper und seine Kollegen untersuchten die CKN-Beschränkung (benannt nach den Autoren des Artikels von 1999, Andrew Cohen, David B. Kaplan und Ann Nelson). Die Autoren betrachten ein Modell, bei dem viele Partikel in eine Box gegeben werden und die Box erhitzt wird, wodurch die Energie der Partikel zunimmt, bis die Box zu einem schwarzen Loch kollabiert. Sie berechneten, dass die Anzahl der hochenergetischen Teilchenzustände, die in eine Kiste gepackt werden können, bevor sie kollabiert, proportional zur Oberfläche der Kiste hoch drei ist und nicht, wie allgemein angenommen, zum Volumen der Kiste. Sie glauben, dass es sich hierbei um eine besondere Ultraviolett-Infrarot-Beziehung handelt. Die Größe der Box legt die Infrarotskala fest, die die Anzahl der hochenergetischen Teilchenzustände, die sich innerhalb der Box befinden können – die Ultraviolettskala – stark begrenzt.

Dann erkannten sie, dass das Problem der kosmologischen Konstante gelöst wäre, wenn diese Einschränkung auch auf unser gesamtes Universum zuträfe. In diesem Fall ist das beobachtbare Universum wie eine sehr große Kiste. Die Anzahl der hochenergetischen Teilchenzustände, die es enthalten kann, ist proportional zur Oberfläche des beobachtbaren Universums hoch drei und nicht zum viel größeren Volumen des gesamten Universums.

Dies bedeutet, dass die üblichen effektiven feldtheoretischen Berechnungen der kosmologischen Konstante zu naiv sind. Berechnungen auf der Grundlage der effektiven Feldtheorie zeigen, dass beim Heranzoomen in die Struktur des Weltraums hochenergetische Phänomene auftreten sollten, die eine Explosion der Energie im Weltraum verursachen sollten. Die CKN-Einschränkungen implizieren jedoch, dass es möglicherweise weitaus weniger Bewegungen mit hoher Energie gibt als in Berechnungen der effektiven Feldtheorie angenommen. Das bedeutet, dass es nur wenige Zustände mit hoher Energie gibt, die Teilchen einnehmen können. Cohen, Kaplan und Nelson führten eine einfache Berechnung durch, die zeigte, dass ihre Einschränkungen bei einer Box von der Größe unseres Universums den beobachteten winzigen Wert der kosmologischen Konstante erklären könnten.

Ihre Berechnungen legen nahe, dass große und kleine Maßstäbe auf irgendeine Weise miteinander verknüpft sein könnten. Dieser Zusammenhang wird deutlich, wenn man die Infraroteigenschaften des Universums als Ganzes betrachtet, beispielsweise die kosmologische Konstante.

Draper und Nikita Blinov haben letztes Jahr in einer weiteren groben Berechnung bestätigt, dass die CKN-Beschränkung die beobachtete kosmologische Konstante erfolgreich schätzt; Sie zeigten auch, dass der Ansatz die vielen experimentellen Erfolge effektiver Feldtheorien bei niedrigeren Energien nicht untergräbt.

Die CKN-Beschränkung sagt uns nicht, warum UV und IR korreliert sind, das heißt, warum die Größe der Box (IR) die Anzahl der hochenergetischen Teilchenzustände, die sich in der Box befinden können (UV), stark einschränkt. Um zu verstehen, warum das so ist, müssen wir möglicherweise die Quantengravitation verstehen.

Wieder andere Forscher suchen nach Antworten in einer anderen speziellen Theorie der Quantengravitation: der Stringtheorie. Letzten Sommer zeigten die Stringtheoretiker Steven Abel und Keith Dienes, wie die Ultraviolett-Infrarot-Mischung in der Stringtheorie sowohl das Hierarchieproblem als auch das Problem der kosmologischen Konstante lösen könnte.

Die Stringtheorie ist ein Kandidat für eine grundlegende Theorie der Schwerkraft und anderer Phänomene und besagt, dass alle Teilchen vibrierende Saiten sind, die entweder offen oder geschlossen sind. Standardmodellteilchen wie Photonen und Elektronen sind niederenergetische Schwingungsmodi fundamentaler Strings. Die Saiten können aber auch stärker schwingen, wodurch bei höheren Energien ein unendliches Spektrum an Saitenzuständen entsteht. In diesem Fall geht es bei der Hierarchiefrage darum, warum diese Stringmodifikationen die Masse des Higgs-Teilchens nicht erhöhen, wenn kein Supersymmetrieschutz vorhanden ist.

Dines und Abel berechneten, dass sich aufgrund einer anderen Symmetrie der Stringtheorie, der sogenannten modularen Invarianz, die Korrekturen der Stringzustände bei allen Energien über das unendliche Energiespektrum von Infrarot bis Ultraviolett in sinnvoller Weise gegenseitig aufheben, wodurch die Higgs-Masse und die kosmologische Konstante klein bleiben. Die Forscher weisen darauf hin, dass diese Korrelation zwischen Stringzuständen mit niedriger und hoher Energie nicht erklärt, warum die Higgs-Masse und die Planck-Energie so weit auseinander liegen, der Unterschied zwischen ihnen jedoch stabil ist. Trotzdem sagte Craig: „Es ist eine wirklich gute Idee.“

Das neue Modell steht stellvertretend für eine wachsende Zahl hybrider UV-IR-Konzepte. Craigs anderer Forschungsansatz lässt sich auf eine andere Arbeit aus dem Jahr 1999 zurückführen, die von Nathan Seiberg, einem berühmten theoretischen Physiker am Institute for Advanced Study (IAS) in Princeton, und zwei Mitarbeitern verfasst wurde. Sie untersuchten die Situation, in der ein Hintergrundmagnetfeld den Raum ausfüllt. Um zu verstehen, wie die UV-IR-Mischung hier erzeugt wird, stellen Sie sich ein Paar entgegengesetzt geladener Partikel vor, die an einer Feder befestigt sind und durch den Raum senkrecht zu einem Magnetfeld fliegen. Wenn Sie die Leistung des Magnetfeldes erhöhen, werden die geladenen Partikel voneinander entfernt und dehnen die Feder. In diesem Spielzeugszenario entsprechen höhere Energien längeren Entfernungen.

Seiberg und seine Kollegen stellten fest, dass die UV -Korrektur in diesem Fall spezielle Eigenschaften aufweist - und veranschaulicht, wie sich der Pfeil des Reduktionismus dreht, wobei das Infrarot beeinflusst, was auf der UV -Energieradung passiert. Dieses Modell unterscheidet sich von der realen Welt, da das reale Universum kein solches Hintergrundmagnetfeld hat, um eine Richtung aufzuerlegen. Dennoch hat Craig untersucht, ob ein ähnlicher Ansatz zur Lösung des Hierarchieproblems verwendet werden könnte.

Craig, Garcia und Seth Koren arbeiteten auch zusammen mit einer Vorstellung von der Quantengravitation, bekannt als die schwache Schwerkraft -Vermutung (WGC), die dem Hierarchieproblem, wenn er sich als richtig erwiesen hat, die Konsistenzbedingungen auferlegen könnte, was die große Trennung zwischen der Higgs -Masse und der erforderlichen Planck -Skala macht.

Die Dubowski der New York University hat seit 2013 über diese Fragen nachgedacht, als klar wurde, dass supersymmetrische Partikel beim großen Hadron -Collider schwer fassbar waren. In diesem Jahr entdeckten er und zwei Mitarbeiter ein neues Modell der Quantengravitation [4], das das Hierarchieproblem löste. In ihrem Modell zeigt der Pfeil des Reduktionismus von den Zwischenskalen sowohl auf die ultraviolette als auch auf Infrarotskalen. Obwohl die Ergebnisse interessant waren, funktionierte das Modell nur in zwei Dimensionen, und Dubowski wusste nicht, wie man es verallgemeinert. Später wandte er sich anderen Problemen zu. Letztes Jahr stieß er erneut auf das UV-IR-Mischproblem: In seiner Studie über kollidierende schwarze Löcher stellte er fest, dass das Natürlichkeitsproblem durch eine „verborgene“ Symmetrie gelöst werden konnte, die mit den niedrigen und hohen Frequenzen von Schwarzen Lochverformungen zusammenhängt [5].

Wie andere Forscher scheint Dubowski nicht zu glauben, dass ein bestimmtes Modell, das bisher entdeckt wurde, deutlich kuhnische Elemente hat. Einige glauben, dass das gesamte UV-IR-Hybridkonzept kein Versprechen hat. "Es gibt noch keinen Hinweis darauf, dass die effektive Feldtheorie zusammenbricht", sagt David E. Kaplan, ein theoretischer Physiker an der Johns Hopkins University, der keine Beziehung zu den Autoren des CKN -Papiers hat. "Ich glaube nicht, dass es da ist." Überzeugende Ideen erfordern experimentelle Beweise, aber bisher fehlt experimentelle hybride ultraviolette Infrarotmodelle experimentelle Vorhersagen. Sie sollen erklären, warum wir keine neuen Partikel über das Standardmodell hinaus gesehen haben, um nicht vorherzusagen, was wir sehen sollten. Für die Vorhersage und Entdeckung neuer Physik besteht jedoch immer noch Hoffnung für die Zukunft in der Kosmologie.

Zusammengenommen veranschaulicht das neue UV-IR-Hybridmodell die Kurzsichtigkeit des alten Paradigmas auf der Grundlage von Reduktionismus und effektiver Feldtheorie, und dies kann nur der Anfang sein.

"Tatsache ist, dass der Reduktionismus, wenn man zur Planck-Skala kommt, die Schwerkraft der Schwerkraft ist", sagte Dubowski. "Ich denke, in gewisser Weise wäre es bedauerlich, wenn diese Tatsache keine tiefgreifenden Auswirkungen auf das hätte, was wir beobachten."

Hinweise

[1] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevd.14.1667

[2] https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevd.10.897

[3] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevlett.82.4971

[4] https://arxiv.org/abs/1305.6939

[5] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevlett.127.101101

Natalie Wolchover, eine vertiefende Krise zwingt Physiker, die Struktur der Gesetze der Natur zu überdenken

https://www.quantamagazine.org/crisis-in-particle-physics-forces-a-rethinkof-what-is-natural-20220301/

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