Kaip paprastas fizikos eksperimentas galėtų atskleisti „tamsųjį matmenį“

Papildomų matmenų medžiotojų arsenale yra ir kitų metodų, tarkime, didelio masto kosmoso struktūrų tyrimai. Galaktikų išsidėstymas yra itin jautrus gravitacijos dėsniams, sako Baker. Paredagavus priimtus gravitacijos veikimo modelius – pavyzdžiui, postuluojant jos nutekėjimą į aukštesnius matmenis – pasikeistų ir galaktikų telkimasis. Tad, Baker ir kiti tyrėjai atlieka simuliacijas, stebėdami, kaip papildomi matmenys tai keičia ir lygindami jas su stebėjimais, kurie nuolat darosi vis tikslesni ir nuodugnesni. „Dabar perėjome prie milijardų galaktikų,“ pabrėžia Baker. Bet kokie skirtumai, kurie, žinoma, būtų delikatūs, galėtų liudyti papildomus matmenis.

Ko gero keisčiausia papildomų matmenų buvo implikacija susijusi su panašių dalelių pasirodymu. Papildomas matmuo iš esmės yra papildoma kryptis, kuria gali sklisti gravitonas. Ir kai kurie fizikai mano, kad į papildomus matmenis gal patekti ir kitos sąveiką pernešančios dalelės – silpnąją branduolinę sąveiką pernešantys \(W\) ir \(Z\) bozonai. O jei taip, tuomet šios dalelės privalo turėti momentą kiekviename matmenyje, sako Obied. Ir mūsų trimatėje erdvėje tai atrodytų, kaip papildoma masė. Ir praktikoje galėtume tikėtis išvysti ženklus gravitonų ar kitų sąveiką pernešančių dalelių, kurių savybės būtų lygiai tokios pat, tik du, tris ar daugiau kartų didesnės masės, priklausomai nuo papildomų matmenų skaičiaus.

Būtina pasakyti, kad nesame regėję jokio gravitono, ir jeigu jie egzistuoja, jie turi būti itin lengvi ar netgi bemasiai. Bet, iš principo, gravitonai galėtų būti sukuriami, susiduriant dalelėms Didžiajame hadronų greitintuve (LHC) šalia Ženevos ir tuomet greitai išnyktų papildomuose matmenyse. Ar gal pavyks užfiksuoti dalelę, kuri atrodo lygiai taip, kaip \(W\) bozonas, bet 10 kartų sunkesnė. Fizikai tokių ženklų ieškojo, tačiau bergždžiai.

Tokios panašios dalelės paveiktų ir juodųjų bedugnių savybes. Joms susiduriant tarpusavyje, ar su neutroninėmis žvaigždėmis, energija išlaisvinama gravitacinėmis bangomis – labai panašiai, kaip ir susiliejant neutroninėms žvaigždėms. Baigiantis procesui, JB pereina trumpą vadinamąją skambesio fazę, kai – sekundės dalelę – bangos „skamba“ kaip peiliu užkliudyta vyno taurė.

Šio trumpo rezonuojančio ūžesio metu, bangos amplitudė natūraliai sumažėja. Bet jeigu panašiosios dalelės egzistuoja, jos ilgiau išlaiko aukštesnę amplitudę. Dabar fizikai šukuoja šių įvykių duomenis, tikėdamiesi tokius signalus išgirsti. Tikriausiai nenustebsite sužinoję, kad kol kas jokių džiaugsmingų gaidų negirdėti. Niekas nesako, kad paslėptų matmenų ieškoti bus lengva.

Bet yra nauja viltis, bent jau su neseniai išrastu vadinamu tamsiuoju matmeniu. Jo aptikimas irgi nebūtų pasivaikščiojimas, tačiau jis turi dvi dideles patrauklias savybes. Pirma, jis galėtų paaiškinti tamsiosios materijos, galaktikos formą keičiančios savo gravitacine trauka, bet, nepaisant dešimtmečius trunkančių paieškų taip ir neaptiktos, prigimtį. Antra, jo šalininkai tikina, kad paprasti eksperimentai netrukus galėtų atskleisti tamsiosios materijos buvimą, arba jį paneigti.

Į pelkyną

Šios idėjos šaknys glūdi stygų teorijoje. Vienas iš teorijos keblumų yra tai, kad ji numato daugybę galimų visatų, vadinamų peizažais, priklausomai nuo konkretaus papildomų matmenų sulankstymo. Vafa tai apribojo, prieš kelis metus pradėdamas tyrimo programą, kuria aiškinosi, kurios peizažo sritys – tai yra, stygų teorijos versijos – gali būti atmestos, kaip nesutampančios su visatos stebėjimais. Vafa šias peizažo dalis pavadino „pelkynu“.

Vykstanti Vafaʼo pelkyno tyrimo programa leido jam sukurti kelias matematines hipotezes, viena iš kurių yra atstumo prielaida. Pagal ją, fiziniam teorijos parametrui pasiekus ekstremalią reikšmę, lieka tam tikros matematinės pasekmės. „Jei kuris nors teorijos parametras ekstremalus, turi būti kitas, paprastesnis fizinis aprašymas,“ sako Vafa. Vienas toks parametras yra visatą plečiančios nežinomos jėgos – tamsiosios energijos – stipris. Nors ir veikianti kosminiais mastais, tamsioji energija yra beveik protu nesuvokiamai silpna. Nuo 2022 m., Vafa atstumo prielaidą pritaikė tamsiosios energijos stipriui ir atrado kai ką stulbinamo: pagal ją vienas iš stygų teorijos matmenų būtų daug didesnis už kitus ir jame būtų įvairios dalelės.

Nagrinėdamas šias detales, Vafa išsiaiškino, kad pagal šį scenarijų, netrukus po Didžiojo sprogimo, įvairių masių gravitonai būtų nutekėję į tamsųjį matmenį, kurio plotis buvo apie mikrometrą, tūkstantąją milimetro dalį – lyginat su kitais matmenimis tai yra milžiniška. Šių dalelių tiesiogiai aptikti negalime, bet jų efektą jaustume. Kaip Vafa rašė šiais metais publikuotoje apžvalgoje, šis matmuo galėtų paaiškinti tamsiąją materiją. „Šis papildomas matmuo apjungia visas savybes, kurias norėtume, kad turėtų tamsioji materija,“ sako jis. „Nenorime postuluoti naujos tamsiosios materijos dalelės, pati gravitacija yra ta dalelė.“

Vafaʼo idėja pagrįsta neįrodytu spėjimu, tad visai gali būti klaidinga. Bet jos pranašumas yra tai, kad ją santykinai lengva patikrinti. Keturmačiame erdvėlaikyje gravitacijos jėga tarp dviejų masių yra atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui – toks yra Isaaco Newtono atvirkštinio kvadrato dėsnis. Tačiau atsiradus dar vienam matmeniui, gravitacija turėtų būti proporcinga atstumo tarp jų kubui. Šis efektas pasireikštų tik panašiu į tamsiosios materijos plotį masteliu. Tad, norint tai patikrinti, fizikams tektų laikyti plunksnos svorio mases maždaug 1 mikrometro atstumu ir patikrinti ar gravitacija paklūsta atvirkštinio kvadrato dėsniui.

Washingtono universiteto tyrėjų grupės eksperimentai jau parodė, kad atvirkštinio kvadrato dėsnis tebegalioja 52 mikrometrų atstumu. Bet tikimasi, kad Austrijos mokslų akademijos grupės, kurioje dalyvauja Armin Shayeghi, vykdomi eksperimentai šį atstumą sumažinti. Jų darbe naudojamos ant mažos svyruoklės svyruojančios dalelės šalia kitos mažos masės. Gravitacijos jėgos pokyčius galima suskaičiuoti iš švytuoklės svyravimo. „Jei būsimi eksperimentai parodys, kad atvirkštinio kvadrato dėsnis ekstremaliai mažu atstumu pažeidžiamas, tai smarkiai paveiks mūsų visatos supratimą,“ sako Shayeghi. Vafa mano, kad pabandyti atlikti šiuos eksperimentus 1 mikrometro masteliu galėtume pabandyti artimiausiais metais. „Esame ne pernelyg toli,“ sako jis.

Jei fizikai iš tiesų rastų tvirtus to tamsiojo matmens įrodymus, tai būtų toks apreiškimas, kokį patyrė kvadratas Flatland susidurdamas su rutuliu. Žinoma, tai gan sunku įsivaizduoti. Bet mokslo požiūriu, „papildomų matmenų egzistavimo patvirtinimas galėtų išspręsti daug problemų“ sako Baker.

Chen Ly
www.newscientist.com