Ein 40 Jahre altes Problem bleibt mit Kosten von 10 Milliarden Dollar ungelöst

Drei Jahrzehnte lang haben Forscher vergeblich nach neuen Elementarteilchen gesucht, die erklären könnten, warum sich die Natur so verhält, wie sie es tut. Angesichts dieses Versagens überprüfen die Physiker eine seit langem bestehende Annahme: dass jedes beliebige Objekt aus kleineren Teilen besteht.

Von Natalie Wolchover

Übersetzer: Li Yuting

In seinem Buch „Die Struktur wissenschaftlicher Revolutionen“ stellte der Wissenschaftsphilosoph Thomas Kuhn fest, dass Wissenschaftler lange Zeit brauchen, um langsame Fortschritte zu erzielen. Sie werfen schwierige Probleme auf und lösen sie, während sie alle Daten einheitlich innerhalb einer festen Weltanschauung oder eines theoretischen Rahmens interpretieren, den Kuhn als Paradigma bezeichnet. Früher oder später treten jedoch Tatsachen zutage, die im Widerspruch zum etablierten Paradigma stehen. Es kommt zur Krise. Die Wissenschaftler zerbrachen sich den Kopf, überprüften ihre Annahmen und vollzogen schließlich einen revolutionären Wandel hin zu einem neuen Paradigma, einem radikal anderen und realistischeren Verständnis der natürlichen Welt. Dann ging es wieder schrittweise voran.

Seit mehreren Jahren befinden sich Teilchenphysiker, die die fundamentalen Bausteine ​​der Natur erforschen, inmitten einer Kuhn-Krise, wie man sie aus dem Lehrbuch kennt.

Die Krise wurde im Jahr 2016 unleugbar, als es dem Large Hadron Collider in Genf trotz einer umfassenden Modernisierung nicht gelang, eines der neuen Elementarteilchen zu produzieren, die Theoretiker seit Jahrzehnten erwartet hatten. Diese zusätzlichen Teilchen würden ein großes Rätsel um ein bekanntes Teilchen lösen, das berühmte Higgs-Boson. Das Hierarchieproblem, wie das Rätsel genannt wird, fragt sich, warum das Higgs-Boson so leicht ist – hundert Millionen Mal weniger Masse als die höchsten in der Natur vorkommenden Energieskalen. Im Verhältnis zu diesen höheren Energien scheint die Higgs-Masse unnatürlich heruntergeregelt, als würden sich die riesigen Zahlen in den zugrunde liegenden Gleichungen, die ihren Wert bestimmen, auf wundersame Weise alle gegenseitig aufheben.

Die zusätzlichen Teilchen sollten die winzige Higgs-Masse erklären und das wiederherstellen, was Physiker die „Natürlichkeit“ ihrer Gleichungen nennen. Doch nachdem auch der Large Hadron Collider – der dritte und größte Beschleuniger – vergeblich nach ihnen gesucht hat, scheint die Logik dessen, was in der Natur natürlich ist, falsch zu sein. „Wir stehen vor der Notwendigkeit, die Prinzipien zu überdenken, die uns jahrzehntelang bei der Beantwortung der grundlegendsten Fragen der physikalischen Welt geleitet haben“, schrieb Gian Giudice, Leiter der theoretischen Abteilung am CERN (dem Labor, in dem sich der Large Hadron Collider befindet), im Jahr 2017.

Zunächst verzweifelte die wissenschaftliche Gemeinschaft.

„Man konnte den Pessimismus spüren“, sagt Isabel Garcia Garcia, Teilchentheoretikerin am Kavli Institute for Theoretical Physics der University of California in Santa Barbara, die damals Doktorandin war. Nicht nur konnte der 10 Milliarden Dollar teure Protonenzertrümmerer eine 40 Jahre alte Frage nicht beantworten, auch kann man den Überzeugungen und Strategien, die die Teilchenphysik lange Zeit geleitet haben, nicht länger trauen. Die Menschen fragen sich dringender denn je, ob das Universum nicht einfach unnatürlich ist und das Produkt einer fein abgestimmten mathematischen Verschiebung. Vielleicht gibt es ein Multiversum mit mehreren Universen, alle mit zufälligen Higgs-Massen und anderen Parametern, und wir befinden uns nur hier, weil die besonderen Eigenschaften unseres Universums die Entstehung von Atomen, Sternen und Planeten und damit des Lebens ermöglicht haben. Dieses „anthropische Prinzip“ ist zwar wahrscheinlich richtig, lässt sich jedoch frustrierenderweise nicht überprüfen.

Viele Teilchenphysiker haben sich anderen Forschungsbereichen zugewandt, „in denen die Probleme nicht so schwierig geworden sind wie das Hierarchieproblem“, sagt Nathaniel Craig, theoretischer Physiker an der University of California in Los Angeles.

Bild | Nathaniel Craig und Isabel Garcia Garcia erforschen, wie die Schwerkraft dabei hilft, die völlig unterschiedlichen Energieskalen der Natur in Einklang zu bringen. (Quelle: Jeff Liang)

Einige der Zurückgebliebenen begannen, Annahmen von vor Jahrzehnten genauer zu hinterfragen. Sie begannen, die bemerkenswerten Merkmale der Natur zu überdenken, die unnatürlich fein abgestimmt schienen – die geringe Masse des Higgs-Bosons und eine scheinbar unabhängige Frage nach der unnatürlich niedrigen Energie des Weltraums selbst. „Das eigentliche zugrunde liegende Problem ist die Frage der Natürlichkeit“, sagte Garcia Garcia.

Ihre Gewissenserforschung trägt Früchte. Forscher richten ihre Aufmerksamkeit zunehmend auf das, was sie als Schwäche der traditionellen Argumentation zur Natürlichkeit ansehen. Es basiert auf einer scheinbar richtigen Annahme, die seit der griechischen Antike Teil der wissenschaftlichen Sichtweise ist. Die Vorstellung, dass große Dinge aus kleineren, grundlegenderen Dingen bestehen, wird Reduktionismus genannt. „Das reduktionistische Paradigma … ist dem Problem der Natürlichkeit inhärent“, sagte Nima Arkani-Hamed, Theoretikerin am Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey.

Mittlerweile sind immer mehr Teilchenphysiker davon überzeugt, dass das Natürlichkeitsproblem und die Nullergebnisse des Large Hadron Collider mit dem Zusammenbruch des Reduktionismus zusammenhängen könnten. „Ist das ein Wendepunkt?“ sagte Arkani-Hamed.

In einer Reihe neuerer Arbeiten haben Forscher den Reduktionismus über Bord geworfen. Sie erforschen neue Wege, wie große und kleine Entfernungsskalen in Einklang gebracht werden können, was zu Parameterwerten führt, die aus einer reduktionistischen Perspektive unnatürlich fein abgestimmt sind.

„Manche Leute nennen es eine Krise. Es herrscht eine pessimistische Stimmung, aber ich sehe das anders“, sagte Garcia Garcia. Ich habe das Gefühl, dass wir gerade einer tiefgreifenden Sache auf der Spur sind. "

Was ist Natürlichkeit

Der LHC machte eine entscheidende Entdeckung: Im Jahr 2012 entdeckte er endlich das Higgs-Boson, den Eckpfeiler eines 50 Jahre alten Theorienkomplexes der Teilchenphysik, der als Standardmodell bekannt ist und die 17 bekannten Elementarteilchen beschreibt.

Die Entdeckung des Higgs-Teilchens bestätigt eine faszinierende Geschichte, die bereits in der Theorie des Standardmodells niedergeschrieben ist.

Wenige Augenblicke nach dem Urknall wurde ein den Weltraum durchdringendes Element, das sogenannte Higgs-Feld, plötzlich mit Energie versorgt. Dieses Higgs-Feld zerfällt und erzeugt Higgs-Bosonen, Teilchen, die aufgrund der Energie des Feldes Masse haben. Wenn sich Elektronen, Quarks und andere Teilchen durch den Raum bewegen, interagieren sie mit dem Higgs-Boson, sodass auch sie Masse gewinnen.

Fast unmittelbar nach der Fertigstellung des Standardmodells im Jahr 1975 bemerkten seine Konstrukteure ein Problem.

Wenn das Higgs-Teilchen anderen Teilchen Masse verleiht, geben diese diese sofort wieder ab. die Massen der Teilchen wackeln zusammen. Physiker können eine Gleichung für die Masse des Higgs-Bosons aufstellen, die eine Beziehung für jedes Teilchen enthält, mit dem es interagiert.

Alle massiven Teilchen des Standardmodells tragen zu dieser Gleichung bei, aber dies sind nicht die einzigen Beiträge. Das Higgs-Boson sollte auch mathematisch mit schwereren Teilchen vermischt sein, einschließlich Phänomenen auf der Planck-Skala, einem Energieniveau, das mit der Quantennatur der Schwerkraft, schwarzen Löchern und dem Urknall verbunden ist. Der Beitrag von Phänomenen auf der Planck-Skala zur Higgs-Masse dürfte enorm sein – fast 100 Millionen Mal größer als die tatsächliche Higgs-Masse.

Natürlich würde man erwarten, dass das Higgs-Boson ebenso schwer ist und somit auch die anderen Elementarteilchen verstärkt. Die Teilchen wären zu schwer, um Atome zu bilden, und das Universum wäre leer.

Beim Higgs-Boson, das trotz seiner Abhängigkeit von enormen Energien so leicht ist, muss man davon ausgehen, dass es sowohl positive als auch negative Planck-Beiträge zu seiner Masse gibt und dass beide gerade die richtige Menge haben, um sich vollständig aufzuheben.

Wenn es keinen Grund für diese Aufhebung gäbe, wäre sie lächerlich – genauso wie es unmöglich ist, dass sich der Luftstrom und die Vibration des Tisches gegenseitig aufheben, um die Spitze eines Bleistifts im Gleichgewicht zu halten. Diese fein abgestimmte Aufhebung wird von Physikern als „unnatürlich“ angesehen.

Innerhalb weniger Jahre hatten die Physiker eine zufriedenstellende Lösung gefunden: die Theorie der Supersymmetrie, die davon ausgeht, dass die Elementarteilchen der Natur eine duale Natur haben. Die Theorie der Supersymmetrie besagt, dass es für jedes Boson (eine von zwei Teilchenarten) einen Partner gibt, ein Fermion (die andere Art), und umgekehrt. Bosonen und Fermionen tragen jeweils positive und negative Terme zur Higgs-Masse bei.

Wenn diese Terme also immer paarweise auftreten, heben sie sich immer auf.

Die Suche nach supersymmetrischen Partnerteilchen begann in den 1990er Jahren mit dem Large Hadron Collider. Die Forscher gingen von der Hypothese aus, dass diese Teilchen etwas schwerer seien als ihre Gegenstücke im Standardmodell und mehr Urenergie zu ihrer Entstehung benötigten. Daher beschleunigten sie die Teilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit, ließen sie zusammenstoßen und suchten zwischen den Trümmern nach schweren Objekten.

Gleichzeitig trat ein weiteres Problem hinsichtlich der Natürlichkeit zutage.

Das Gefüge des Raums scheint, selbst wenn keine Materie vorhanden ist, Energie zu besitzen – die Nettoaktivität aller Quantenfelder, die durch ihn fließen.

Als Teilchenphysiker alle mutmaßlichen Beiträge zur Energie des Weltraums zusammenzählten, stellten sie fest, dass eine Energiezufuhr aus Phänomenen auf der Planck-Skala diese ebenso wie die Higgs-Masse hätte sprengen müssen.

Einstein glaubte, dass die Energie des Weltraums – die er kosmologische Konstante nannte – eine gravitativ abstoßende Wirkung hatte, die dazu führte, dass sich der Weltraum immer schneller ausdehnte. Wäre der Weltraum mit Energie in der Planck-Dichte durchdrungen, hätte sich das Universum kurz nach dem Urknall selbst zerrissen. Aber das ist nicht passiert.

Stattdessen stellten Kosmologen fest, dass sich die Ausdehnung des Weltraums nur langsam beschleunigte, was darauf schließen ließ, dass die kosmologische Konstante klein war.

Messungen aus dem Jahr 1998 ergaben, dass ihr Wert einhundert Billionen Mal niedriger ist als die Planck-Energie. Auch in der Gleichung für die kosmologische Konstante scheinen sich all diese enormen Energiezufuhren und -entnahmen vollkommen aufzuheben, sodass im Weltraum eine unheimliche Ruhe herrscht.

„Die Schwerkraft ... vermischt die Physik aller Längenskalen – kurze Distanzen, lange Distanzen. Und weil sie das tut, bietet sie Ihnen diesen Ausweg.“ – Nathaniel Craig

Diese beiden großen Natürlichkeitsprobleme waren seit den späten 1970er Jahren bekannt, wurden von den Physikern jedoch jahrzehntelang als irrelevant behandelt.

„Wir befinden uns in einem Stadium, in dem die Meinungen darüber geteilt sind“, sagte Arkani-Hamed. Das Problem der kosmologischen Konstante scheint mit den mysteriösen Quantenaspekten der Schwerkraft zusammenzuhängen, da die Energie des Weltraums nur durch ihre Gravitationseffekte erfasst wird. Das Nivellierungsproblem schien eher ein „hässliches kleines Detailproblem“ zu sein, erklärte Arkani-Hamed – die Art von Problem, bei dem, wie bei zwei oder drei anderen in der Vergangenheit, irgendwann einige fehlende Puzzleteile zum Vorschein kommen würden. Die „Higgs-Schwäche“, wie Giudice seine unnatürliche Leichtigkeit nennt, ist nichts, was sich nicht mit ein paar supersymmetrischen Teilchen aus dem Large Hadron Collider beheben ließe.

Im Nachhinein scheinen diese beiden Natürlichkeitsprobleme eher Symptome eines tiefer liegenden Problems zu sein.

„Es ist nützlich, darüber nachzudenken, wie diese Probleme entstanden sind“, sagte Garcia Garcia diesen Winter während eines Zoom-Anrufs aus Santa Barbara. „Das Hierarchieproblem und das Problem der kosmologischen Konstante entstehen teilweise aufgrund der Werkzeuge, die wir verwenden, um die Fragen zu beantworten – der Art und Weise, wie wir versuchen, bestimmte Merkmale unseres Universums zu verstehen.“

Genau der richtige Reduktionismus

Physiker haben ihre eigene interessante Methode, die Beiträge der Higgs-Masse und der kosmologischen Konstante ehrlich zu zählen.

Dieser rechnerische Ansatz spiegelt die seltsame verschachtelte Struktur der Natur wider.

Wenn Sie etwas näher heranzoomen, werden Sie erkennen, dass es sich tatsächlich um viele kleinere Dinge handelt.

Was aus der Ferne wie eine Galaxie aussieht, ist in Wirklichkeit eine Ansammlung von Sternen. jeder Stern besteht aus vielen Atomen; Ein Atom wird weiter in eine Hierarchie subatomarer Teile aufgelöst.

Wenn Sie auf kürzere Entfernungsskalen herauszoomen, sehen Sie schwerere, energiereichere Elementarteilchen und Phänomene. Dies ist eine tiefgreifende Verbindung zwischen hohen Energien und kurzen Entfernungen und erklärt, warum hochenergetische Teilchenbeschleuniger wie Mikroskope für das Universum sind.

In der gesamten Physik gibt es zahlreiche Beispiele für den Zusammenhang zwischen hohen Energien und kurzen Entfernungen. Beispielsweise besagt die Quantenmechanik, dass jedes Teilchen auch eine Welle ist und dass die zugehörige Wellenlänge umso kürzer ist, je größer die Masse des Teilchens ist. Ein weiterer Grund besteht darin, dass die Energie dichter gepackt werden muss, um kleinere Objekte zu bilden. Physiker bezeichnen die Physik der niederenergetischen, weitreichenden Strahlung als „Infrarot“ und die Physik der hochenergetischen, kurzreichweitigen Strahlung als „Ultraviolett“. Dabei verwenden sie eine Analogie zu den Wellenlängen von Infrarot- und Ultraviolettlicht.

In den 1960er und 1970er Jahren wiesen die Teilchenphysik-Giganten Kenneth Wilson und Steven Weinberg auf etwas Bemerkenswertes an der hierarchischen Struktur der Natur hin: Sie ermöglicht es uns, einige interessante Eigenschaften auf großen Infrarot-Skalen zu beschreiben, ohne zu wissen, was „wirklich“ auf noch kleineren, ultravioletten Skalen vor sich geht. Sie können beispielsweise Wasser mithilfe einer Strömungsdynamikgleichung modellieren, die es als glatte Flüssigkeit behandelt und die komplexe Dynamik seiner H2O-Moleküle maskiert. Die Gleichungen der Fluiddynamik enthalten einen Term für die Viskosität von Wasser – eine einzelne Zahl, die im Infrarotbereich messbar ist und alle molekularen Wechselwirkungen zusammenfasst, die im Ultraviolettbereich stattfinden. Physiker sagen, dass die „Entkopplung“ der Infrarot- und Ultraviolettskalen es ihnen ermöglicht, Aspekte der Welt effektiv zu beschreiben, ohne wissen zu müssen, was tief unten auf der Planck-Skala geschieht – der ultimativen Ultraviolettskala, die einem Milliardstel eines Billionstel Zentimeters oder Energien von 100 Milliarden Elektronenvolt (GeV) entspricht, wo sich das Gefüge der Raumzeit in etwas anderes auflösen kann.

Kenneth Wilson war ein amerikanischer Teilchen- und Festkörperphysiker, der von den 1960er- bis in die frühen 2000er-Jahre aktiv war und eine formale mathematische Methode entwickelte, um zu beschreiben, wie die Eigenschaften eines Systems je nach Maßstab, in dem sie gemessen werden, variieren. (Quelle: Biographisches Archiv der Fakultät der Cornell University, Nr. 47-10-3394. Sammlung seltener und handschriftlicher Werke, Bibliothek der Cornell University.)

„Wir können Physik studieren, weil wir nicht wissen, was auf kurze Distanzen passiert“, sagt Riccardo Rattazzi, theoretischer Physiker an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne. „

Wilson und Weinberg entwickelten unabhängig voneinander Fragmente des Rahmens, den Teilchenphysiker zur Simulation verschiedener Ebenen unserer verschachtelten Welt verwenden: die effektive Feldtheorie. Im Kontext der effektiven Feldtheorie stellt sich das Problem der Natürlichkeit.

Die effektive Feldtheorie modelliert ein System – beispielsweise einen Strahl aus Protonen und Neutronen – über einen Bereich von Skalen. Wenn Sie die Protonen- und Neutronenwerte eine Zeit lang vergrößern, werden sie weiterhin wie Protonen und Neutronen aussehen. Ihre Dynamik in diesem Bereich lässt sich mithilfe der „chiralen effektiven Feldtheorie“ beschreiben. Doch dann erreicht die effektive Feldtheorie ihren „Ultraviolett-Grenzwert“, also einen kurzreichweitigen, hochenergetischen Bereich, bei dem die effektive Feldtheorie keine gültige Beschreibung des Systems mehr darstellt. Beispielsweise funktioniert die chirale effektive Feldtheorie bei der Grenzspannung von 1 GeV nicht mehr, da sich Protonen und Neutronen nicht mehr wie einzelne Teilchen, sondern wie Quark-Trios verhalten. Eine andere Theorie kommt ins Spiel.

Der Punkt ist, dass es einen Grund gibt, warum die effektive Feldtheorie an ihrer UV-Grenzspannung zusammenbricht. Der Grenzwert liegt dort, wo neue, hochenergetische Teilchen oder Phänomene gefunden werden müssen, die in der Theorie nicht enthalten sind.

Innerhalb ihres Gültigkeitsbereichs berücksichtigt die effektive Feldtheorie die UV-Physik unterhalb der Grenzfrequenz, indem sie „Korrekturen“ hinzufügt, die diese unbekannten Effekte darstellen. Es ist wie eine Flüssigkeitsgleichung mit einem Viskositätsterm, um den Nettoeffekt molekularer Kollisionen über kurze Distanzen zu erfassen. Um diese Korrekturen vorzunehmen, müssen die Physiker nicht wissen, welche physikalische Realität zum Zeitpunkt des Cut-offs tatsächlich vor sich geht. Sie verwenden die Skala des Grenzwerts lediglich als grobe Schätzung des Gültigkeitsbereichs.

Wenn Sie etwas auf der relevanten IR-Skala berechnen, ist die UV-Korrektur normalerweise klein und proportional zur (relativ kleinen) Längenskala, die mit dem Cutoff verknüpft ist. Dies ändert sich jedoch, wenn man die effektive Feldtheorie zur Berechnung von Parametern wie der Higgs-Masse oder der kosmologischen Konstante verwendet, da diese Parameter die Einheiten Masse oder Energie haben. UV-Korrekturen an den Parametern werden groß sein, da (um korrekte Einheiten zu haben) die Korrekturen mit der Energie koordiniert werden und nicht mit der Länge, die mit dem Cutoff verknüpft ist. Bei geringer Länge ist die Energie hoch. Solche Parameter werden als „UV-empfindlich“ bezeichnet.

Das Konzept der Natürlichkeit entstand in den 1970er Jahren zusammen mit der effektiven Feldtheorie selbst als Strategie zur Identifizierung, wo die effektive Feldtheorie aufhören muss.

Daher muss es eine neue Physik geben. Die Logik ist folgende. Wenn ein Massen- oder Energieparameter einen hohen Grenzwert hat, sollte sein Wert natürlich groß sein und durch alle UV-Korrekturen nach oben getrieben werden. Wenn dieser Parameter klein ist, muss daher die Abschaltenergie niedrig sein.

Einige Kritiker argumentieren, Natürlichkeit sei lediglich eine ästhetische Vorliebe. Andere wiederum weisen darauf hin, dass die Strategie präzise, ​​verborgene Wahrheiten über die Natur preisgibt. „Die Logik ist gültig“, sagte Craig, einer der führenden Köpfe hinter der jüngsten erneuten Verpflichtung dazu. Die Frage nach der Natürlichkeit sei „schon immer ein Zeichen dafür gewesen, dass sich die Dinge ändern und etwas Neues entstehen soll.“

Was kann die Natur tun?

Im Jahr 1974, mehrere Jahre bevor der Begriff „Natürlichkeit“ geprägt wurde, nutzten Mary K. Gaillard und Ben Lee diese Strategie, um die Masse eines hypothetischen Teilchens, das damals Charm-Quark genannt wurde, auf dramatische Weise vorherzusagen. „Ihr Erfolg bei der Vorhersage und dessen Relevanz für hierarchische Probleme wird in unserem Bereich stark unterschätzt“, sagte Craig.

Im Sommer 1974 waren Gaillard und Lee über den Massenunterschied zwischen zwei Quarkteilchen, die aus mehreren Quarks bestehen, verblüfft. Die Unterschiede in den Messungen sind gering.

Doch als sie versuchten, diesen Massenunterschied mit Hilfe der Gleichungen der effektiven Feldtheorie zu berechnen, erkannten sie, dass sein Wert zu explodieren drohte. Da die Differenz großer Massen Masseneinheiten hat, reagiert sie empfindlich auf Ultraviolett und empfängt am Grenzwert hochenergetische Korrekturen aus unbekannter Physik. Der Grenzwert der Theorie war nicht bekannt, doch die Physiker kamen damals zu dem Schluss, dass er nicht sehr hoch sein könne, da sonst der resultierende Massenunterschied im hohen Subon im Verhältnis zum Korrekturwert seltsam klein wäre – unnatürlich, wie Physiker heute sagen.

Gaillard und Lee leiteten für ihre effektive Feldtheorie eine niedrige Cutoff-Skala ab, bei der die neue Physik entstehen sollte. Sie glaubten, dass ein damals vorgeschlagenes Quark namens Charm-Quark mit einer Masse von nicht mehr als 1,5 GeV entdeckt werden müsse.

Drei Monate später erschien das brillante Quark mit einem Gewicht von 1,2 GeV. Diese Entdeckung leitete eine Renaissance des Wissens ein, die als Novemberrevolution bekannt wurde, und trieb die Fertigstellung des Standardmodells rasch voran. 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. Lee schickte ihr ein Telegramm: Zauber entdeckt.

Im Jahr 1974 verwendeten Mary K. Gaillard (im Bild in den 1990er Jahren) und Ben Lee das Natürlichkeitsargument, um die Masse eines hypothetischen Elementarteilchens namens Charm-Quark vorherzusagen. Nach einigen Monaten hat sich der Charme offenbart. (Quelle: AIP Emilio Segrè Visual Archive)

Solche Erfolge überzeugten viele Physiker davon, dass das Hierarchieproblem auch vorhersagen sollte, dass die neuen Teilchen nicht viel schwerer sein würden als die des Standardmodells.

Wenn das Standardmodell irgendwo in der Nähe der Planck-Skala zusammenbricht (wo die Forscher davon überzeugt sind, dass das Standardmodell versagt, weil es die Quantengravitation nicht berücksichtigt), dann wären die UV-Korrekturen der Higgs-Masse so groß, dass es unnatürlich leicht würde. Wenn man einen Grenzwert nicht weit über der Masse des Higgs-Bosons selbst festlegt, wäre die Masse des Higgs-Bosons so schwer wie die Korrektur des Grenzwerts und alles würde natürlich aussehen.

„Dieser Ansatz war in den letzten 40 Jahren der Ausgangspunkt für die Arbeit zur Lösung des Hierarchieproblems“, sagte Garcia Garcia. „Die Leute haben großartige Ideen wie Supersymmetrie und [Higgs-]Synthese entwickelt, und wir haben noch nie gesehen, dass sie in der Natur umgesetzt werden.“

Im Jahr 2016 promovierte GarciaGarcia in Teilchenphysik an der Universität Oxford. Im Laufe einiger Jahre wurde ihr klar, dass eine Abrechnung nötig war. „Damals begann ich, mich mehr für dieses fehlende Puzzleteil zu interessieren, an das wir normalerweise nicht denken, wenn wir über Probleme sprechen: die Gravitation. Und dieses Problem ist eher in der Quantengravitation als in der effektiven Feldtheorie zu sehen.“

Die Schwerkraft vermischt alles

In den 1980er Jahren haben Theoretiker gelernt, dass die Schwerkraft nicht den üblichen reduktionistischen Regeln folgt.

Wenn zwei Teilchen heftig zusammenstoßen, konzentriert sich ihre Energie am Kollisionspunkt und es entsteht ein Schwarzes Loch – ein Bereich extremer Schwerkraft, aus dem nichts entkommen kann. Wenn die Partikel stärker zusammenprallen, bilden sie ein größeres schwarzes Loch. Mehr Energie lässt Sie nicht länger kürzere Distanzen sehen, im Gegenteil: Je härter Sie aufprallen, desto größer wird die unsichtbare Zone, die Sie erzeugen. Schwarze Löcher und die Quantengravitationstheorie, die ihr Inneres beschreibt, kehren die übliche Beziehung zwischen hohen Energien und kurzen Entfernungen völlig um. „Die Schwerkraft ist antireduktionistisch“, sagte Sergei Dubovsky, ein Physiker an der New York University.

Die Quantengravitation scheint mit der Architektur der Natur zu spielen und macht sich über das saubere System verschachtelter Skalen effektiver Feldtheorien lustig, an das sich die Physiker gewöhnt haben. Craig begann, wie Garcia Garcia, über die Bedeutung der Schwerkraft nachzudenken, kurz nachdem die Suche am Large Hadron Collider ergebnislos blieb. Während Craig versuchte, sich neue Lösungen für das Hierarchieproblem auszudenken, las er erneut einen Aufsatz über Natürlichkeit aus dem Jahr 2008 von Giudice, einem Theoretiker am CERN.

Er fragte sich, was Giudice damit gemeint hatte: Giudice hatte geschrieben, dass die Lösung des Problems der kosmologischen Konstante möglicherweise „ein kompliziertes Zusammenspiel zwischen Infrarot- und Ultravioletteffekten“ beinhalten könnte. Wenn es zwischen Infrarot- und Ultraviolettstrahlung eine komplexe Wechselwirkung gäbe, würde dies die übliche Entkopplung verletzen, die das Funktionieren der effektiven Feldtheorie ermöglicht. „Ich habe einfach nach Dingen wie ‚UV-IR-Hybrid‘ gegoogelt“, sagte Craig, was ihn zu einigen interessanten Artikeln aus dem Jahr 1999 führte, „und ich habe einfach angefangen.“

„Ich habe das Gefühl, dass wir gerade einer großen Sache auf der Spur sind.“ - Isabel Garcia Garcia

Die UV-IR-Hybridisierung hat das Potenzial, das Natürlichkeitsproblem zu lösen, indem sie das reduktionistische Schema der effektiven Feldtheorie aufbricht. In der effektiven Feldtheorie entsteht das Natürlichkeitsproblem, wenn Größen wie die Higgs-Masse und die kosmologische Konstante im UV-Bereich empfindlich werden, aber irgendwie nicht explodieren, als gäbe es eine Verschwörung der gesamten UV-Physik, um ihre Auswirkungen im Infrarotbereich ungültig zu machen. „In der Logik der effektiven Feldtheorie schließen wir diese Möglichkeit aus“, erklärt Craig.

Der Reduktionismus sagt uns, dass die Infrarotphysik aus der Ultraviolettphysik folgt – die Viskosität des Wassers ergibt sich aus seiner Molekulardynamik, Protonen erhalten ihre Eigenschaften aus ihren inneren Quarks, Erklärungen ergeben sich durch Vergrößerung – und nicht umgekehrt. Das Ultraviolett wird durch das Infrarot weder beeinflusst noch erklärt, „deshalb kann es keine Verschwörung [des Ultravioletteffekts] geben, die dazu führt, dass die Sache mit dem Higgs-Teilchen auf einer ganz anderen Skala gelöst wird.“

Die Frage, die Craig nun stellt, lautet: „Bricht die Logik der effektiven Feldtheorie zusammen?“ Vielleicht können Erklärungen tatsächlich in beide Richtungen fließen, zwischen Ultraviolett und Infrarot. „

Das ist nicht völlig abwegig, denn wir wissen, dass die Schwerkraft so funktioniert“, sagte er. „Die Schwerkraft verstößt gegen die normale Argumentation der effektiven Feldtheorie, da sie die Physik aller Längenskalen vermischt, sowohl kurzer als auch langer Distanzen. Weil es das tut, bietet es Ihnen diesen Ausweg. „

Wie UV-IR-Hybridisierung die Natürlichkeit retten kann

Mehrere neue Studien zur UV-IR-Mischung und wie diese das Natürlichkeitsproblem lösen könnte, beziehen sich auf zwei Artikel aus dem Jahr 1999. „Das Interesse an diesen exotischeren, nicht-feldtheoretischen Problemlösungsansätzen wächst“, sagt Patrick Draper, Professor an der University of Illinois at Urbana-Champaign, dessen jüngste Arbeit in einem Artikel aus dem Jahr 1999 erschien.

Draper und seine Kollegen untersuchten die CKN-Beschränkung, benannt nach den Autoren des Artikels von 1999, Andrew Cohen, David B. Kaplan und Ann Nelson. Sie dachten, wenn man ein Teilchen in eine Kiste steckt und diese erhitzt, könne man die Energie des Teilchens nur bis zu einem gewissen Grad erhöhen, bevor die Kiste zu einem schwarzen Loch kollabiere.

Sie haben berechnet, dass die Anzahl der hochenergetischen Teilchenzustände, in die die Box passen kann, bevor sie kollabiert, mit der Oberfläche der Box hoch ein Viertel der Kubikmeter skaliert und nicht mit dem Volumen der Box, wie man vielleicht denken könnte.

Sie erkannten, dass dies eine seltsame UV-Infrarot-Beziehung darstellte. Die Größe der Box, die die Infrarotskala festlegt, begrenzt die Anzahl der hochenergetischen Teilchenzustände, die sich innerhalb der Box befinden können – die Ultraviolettskala – stark.

Dann erkannten sie, dass das Problem der kosmologischen Konstante gelöst wäre, wenn dieselben Einschränkungen auf das gesamte Universum angewendet würden. 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, nicht zum (viel größeren) Volumen des Universums.

Dies bedeutet, dass die üblichen effektiven feldtheoretischen Berechnungen der kosmologischen Konstante zu einfach sind.

Diese Art der Berechnung sagt den Leuten, dass bei der Vergrößerung der Struktur des Weltraums hochenergetische Phänomene auftreten müssten und dass Energie vorhanden sein müsste, um den Weltraum in die Luft zu sprengen. Die CKN-Beschränkung impliziert jedoch, dass die Hochenergieaktivität möglicherweise viel geringer ist als in Berechnungen der effektiven Feldtheorie angenommen, was bedeutet, dass es nur sehr wenige Hochenergiezustände gibt, die von Teilchen eingenommen werden können. Cohen, Kaplan und Nelson führten eine einfache Berechnung durch und für eine Box von der Größe unseres Universums sagten ihre Einschränkungen den beobachteten winzigen Wert der kosmologischen Konstante mehr oder weniger genau voraus.

Ihre Berechnungen legen nahe, dass zwischen den großen und kleinen Skalen eine Korrelation bestehen könnte, die deutlich wird, wenn man sich die Infraroteigenschaften des gesamten Universums ansieht, wie etwa die kosmologische Konstante.

Draper und Nikita Blinov haben letztes Jahr in einer weiteren überschlägigen Berechnung bestätigt, dass die CKN-Beschränkung die beobachtete kosmologische Konstante vorhersagt. Sie bestätigten auch, dass dies die vielen Erfolge der effektiven Feldtheorie in Experimenten im kleinen Maßstab nicht untergräbt.

Die CKN-Einschränkung gibt keinen Aufschluss darüber, warum UV und IR korreliert sind, d. h. warum die Größe der Box (IR) die Anzahl der Hochenergiezustände innerhalb der Box (UV) stark einschränkt. Dazu müssen Sie möglicherweise die Quantengravitation verstehen.

Andere Forscher haben in einer bestimmten Theorie der Quantengravitation nach Antworten gesucht: der Stringtheorie. Letzten Sommer zeigten die Stringtheoretiker Steven Abel und Keith Dienes, wie die Ultraviolett-Infrarot-Mischung in der Stringtheorie die Hierarchie- und kosmologischen Konstantenprobleme lösen könnte.

Die Stringtheorie, ein Kandidat für eine grundlegende Theorie der Schwerkraft und aller anderen Dinge, besagt, dass alle Teilchen, nah betrachtet, winzige vibrierende Saiten sind. Standardmodellteilchen wie Photonen und Elektronen sind niederenergetische Schwingungsmodi fundamentaler Strings. Die Saiten können aber auch mit größerer Energie wackeln, wodurch ein unendliches Spektrum von Saitenzuständen mit immer höheren Energien entsteht. In diesem Fall stellt sich beim Hierarchieproblem die Frage, warum diese String-Zustandskorrekturen keine Expansion bewirken, wenn es keine Supersymmetrie zum Schutz des Higgs gibt.

Dienes und Abel berechneten, dass sich aufgrund einer anderen Symmetrie der Stringtheorie, der sogenannten modularen Invarianz, Stringzustandskorrekturen bei allen Energien über das unendliche Spektrum von Infrarot bis Ultraviolett gegenseitig genau in der richtigen Weise aufheben würden, um sowohl die Higgs-Masse als auch die kosmologische Konstante klein zu machen. Die Forscher weisen darauf hin, dass diese Kollision zwischen niederenergetischen und hochenergetischen Stringzuständen nicht erklärt, warum zwischen der Higgs-Masse und der Planck-Energie überhaupt eine so große Lücke besteht, sondern nur, dass diese Lücke stabil ist. Craig ist jedoch der Meinung: „Es ist eine wirklich gute Idee.“

Das neue Modell repräsentiert eine wachsende Zahl hybrider UV-IR-Konzepte. Craigs Forschungsansatz lässt sich auf eine andere Arbeit aus dem Jahr 1999 zurückführen, die von Nathan Seiberg, einem bekannten Theoretiker am Institute for Advanced Study, und zwei Co-Autoren verfasst wurde. Sie untersuchten den Fall, in dem ein Hintergrundmagnetfeld den Raum ausfüllt. Um zu verstehen, wie die UV-IR-Mischung hier entsteht, stellen Sie sich ein Paar geladener Teilchen vor, die durch eine Feder verbunden sind und senkrecht zu einem Magnetfeld durch den Raum fliegen. Wenn Sie die Stärke des Magnetfelds erhöhen, entfernen sich die geladenen Teilchen mit zunehmender Geschwindigkeit voneinander und spannen so die Feder. In diesem Szenario entsprechen höhere Energien größeren Entfernungen.

„Die Schwerkraft ist antireduktionistisch.“ —Sergei Dubovsky

Seiberg et al. stellte fest, dass die UV-Korrektur in diesem Fall besondere Merkmale aufweist, die darauf hindeuten, dass der Reduktionismus umgekehrt werden kann, d. h., das Infrarot beeinflusst, was im UV-Bereich geschieht. Dieses Modell ist nicht realistisch, da das reale Universum kein Magnetfeld hat, das eine Hintergrundrichtung vorgibt. Craig hat jedoch untersucht, ob etwas Ähnliches eine Lösung für das Schichtproblem sein könnte.

Craig, Garcia Garcia und Seth Koren arbeiteten außerdem gemeinsam an einem Thema zur Quantengravitation, das als Vermutung der schwachen Gravitation bekannt ist. Wenn dies zutrifft, könnte dies Konsistenzbedingungen auferlegen, die natürlich eine große Trennung zwischen der Higgs-Masse und der Planck-Skala erfordern.

Dubovsky von der New York University beschäftigt sich mit diesen Fragen mindestens seit 2013, als klar wurde, dass supersymmetrische Teilchen am Large Hadron Collider träge sind. In diesem Jahr entdeckten er und zwei Mitarbeiter ein neues Modell der Quantengravitation, das das Hierarchieproblem löste: In diesem Modell zeigt der Pfeil des Reduktionismus von einer Zwischenskala sowohl in den Ultraviolett- als auch in den Infrarotbereich. So ansprechend es auch klang, das Modell funktionierte nur in zwei Dimensionen und Dubovsky hatte keine Ahnung, wie er es erweitern sollte. Er wandte sich anderen Themen zu. Im letzten Jahr begegnete ihm der UV-IR-Mix erneut. Er fand heraus, dass Natürlichkeitsprobleme, die bei der Untersuchung kollidierender Schwarzer Löcher auftreten, durch eine „versteckte“ Symmetrie gelöst werden, die nieder- und hochfrequente Deformationen der Form des Schwarzen Lochs verbindet.

Wie andere Forscher scheint auch Dubovsky nicht der Meinung zu sein, dass eines der bislang entdeckten spezifischen Modelle klare Anzeichen einer Kuhnschen Revolution aufweist. Manche Leute halten das gesamte UV-IR-Hybridkonzept für wenig vielversprechend. „Es gibt noch keine Anzeichen für einen Zusammenbruch der effektiven Feldtheorie“, sagte David E. Kaplan, ein theoretischer Physiker an der Johns Hopkins University (keine Verbindung zum CKN-Papier). „Ich glaube nicht, dass da etwas ist.“

Um alle zu überzeugen, bedarf es experimenteller Beweise für die Idee. Bisher sind die vorhandenen UV-IR-Mischmodelle jedoch völlig unzureichend, was überprüfbare Vorhersagen angeht. Sie sollen im Allgemeinen erklären, warum wir keine neuen Teilchen jenseits des Standardmodells gesehen haben, und nicht vorhersagen, was wir sehen sollten. Doch in der Kosmologie besteht immer Hoffnung auf zukünftige Vorhersagen und Entdeckungen, selbst wenn diese nicht durch einen Kollider erfolgen.

Zusammengefasst veranschaulicht das neue hybride UV-IR-Modell die Schwächen des alten Paradigmas – eines Paradigmas, das vollständig auf Reduktionismus und effektiver Feldtheorie basiert – und dies könnte erst der Anfang sein.

„Wenn Sie zur Planck-Skala gelangen, verlieren Sie den Reduktionismus, die Schwerkraft ist also antireduktionistisch“, sagte Dubovsky. "Ich denke, in gewisser Weise wäre es bedauerlich, wenn diese Tatsache keinen tiefgreifenden Einfluss auf das hätte, was wir beobachten."

Quellen:

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

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