Вчені запропонували нову частинку у якості порталу до 5-го виміру

Розгадка питання темної матерії та інших фундаментальних загадок може полягати у викривленому додатковому вимірі, згідно з новим дослідженням, яке пропонує нову теорію Всесвіту.

Про це розповідає видання VICE.

Вчені хочуть знайти гіпотетичну частинку, яка може діяти як портал до викривленого п'ятого виміру, виступаючи посередником між космічними царствами світла та темряви.

Пробачливо було б вважати вам, що речення є синопсисом наукової фантастики, але насправді це вражаючий результат недавнього дослідження, яке прагне освітлити деякі найбільш стійки загадки в науці.

Існування цієї спекулятивної частинки могло б "надати природне пояснення" надмірній кількості темної матерії — нерозпізнаної матерії, яка становить більшу частину маси Всесвіту, і вирішити нерозв'язні проблеми щодо субатомних частинок, відомих як ферміони, згідно з новим дослідженням, опублікованим минулого місяця в журналі “The European Physical Journal C”.

Дослідження додає, що пояснити ці фундаментальні таємниці може “наявність нової фізики”, представивши модель Всесвіту з п’ятим виміром, до якого можуть пройти частинки.

Авторами дослідження були Хав'єр Кастеллано та Маттіас Нойберт, фізики-теоретики з Кластеру досконалості PRISMA+ при Університеті Йоганнеса Гутенберга в Майнці (Німеччина), та Адріан Кармона, співробітник програми Athenea3i на кафедрі теоретичної фізики та космосу в Університеті Гранади (Іспанія).

“Ми працюємо над подібною темою вже досить давно”, - заявила команда в електронному листі. “Наша початкова мотивація полягала в тому, щоб пояснити можливе походження мас ферміонів у теоріях із викривленим додатковим виміром”.

“Ми знали, що маси цих складових мали деякі особливі риси, які вимагали пояснень”, - сказали вони.

Дослідники діяли у давній науковій традиції, яка ставить під сумнів питання, чи дійсно чотири виміри, які може осягнути людина — тривимірний простір та час — це все, що може запропонувати Всесвіт. У результаті цього напрямку досліджень були отримані рівняння 5-вимірного поля, що виражають наслідки, які додатковий вимір може мати на Всесвіт та саму реальність.

Досліджуючи ці рівняння стосовно мас ферміонів, команда окреслила існування нового скалярного поля, пов'язаного зі спекулятивною частинкою, яка приблизно схожа на поле Хіггса, пов'язане зі знаменитою частинкою — бозоном Хіггса.

“Ми виявили, що нове скалярне поле мало цікаву, нетривіальну поведінку в додатковому вимірі”, - пояснює команда. “Оскільки ця нова частинка має дуже подібні квантові властивості, як у бозона Хіггса, було цілком природно припустити, що дві частинки повинні змішуватися між собою, а це означає, що їх квантово-механічні хвильові функції переплітаються”.

“Вивчення цього змішування було однією з початкових мотивацій цієї роботи”, - додали дослідники.

Досліджуючи цю гіпотезу, фізики зрозуміли, що важка частинка може запропонувати "унікальне вікно" до темної матерії, оскільки вона зможе опосередковувати нову силу, що з'єднує темну матерію та її більш звичний видимий аналог, який приймає форму зірки, чи планети та всього іншого, що ми можемо виявити за допомогою традиційної, світлової астрономії.

“Якщо ця важка частинка існує, вона обов'язково з’єднала б видиму матерію, яку ми знаємо і яку ми детально вивчили, зі складовими темної матерії, припускаючи, що темна матерія складається з фундаментальних ферміонів, які мешкають у додатковому вимірі”, - пояснили фізики.

"Це не надумана ідея, оскільки ми знаємо, що звичайна матерія складається з ферміонів і що, якщо цей додатковий вимір існує, вони, швидше за все, розповсюджуються в нього", - зазначили вони.

Моделі з гіпотетичною частинкою не суперечили реальним спостережливим свідченням про надмірну кількість темної матерії у Всесвіті. Це загальне узгодження з емпіричними доказами, поряд з величезною математичною роботою в дослідженні, демонструє, що частинка може бути “можливим новим посланником до темного сектору”, сказали дослідники.

“Тому підтвердження існування такої нової скалярної частинки відкриє захоплюючий шлях до можливого відкриття темної матерії”, - сказала команда. “Це дасть нам особливо корисну інформацію про можливий діапазон мас темної матерії та її взаємодію з частинками, які ми знаємо на сьогодні”.

Тепер, коли вчені мають зачіпку у вигляді цієї гіпотетичної частинки та її 5-го виміру, вони фактично повинні шукати її. Врешті-решт бозон Хіггса був помічений у Великому адронному колайдері (LHC) у Швейцарії в 2012 році — досягнення, яке принесло Нобелівську премію з фізики. Однак LHC не буде оснащений для пошуку частинок, запропонованих у новому документі, оскільки вона буде занадто важкою для утворення на будь-якій поточній установці.

Хоча ця частинка може бути виявлена у новому поколінні запропонованих колайдерів, таких як Міжнародний лінійний колайдер, Компактний лінійний колайдер та Круговий колайдер майбутнього, дослідники заявили, що “через велику масу, перспективи такого прямого відкриття здаються дуже складними навіть при високих енергіях, які обговорюються для таких машин (100 ТеВ)”.

Тим не менш, дослідники вважають, що частинка може бути виявлена більш опосередковано, наприклад, за допомогою спостереження гравітаційних хвиль, які являють собою брижі у просторі-часі.

“Ще однією можливістю, яку ми ще не досліджували, є те, що ця нова частинка може зіграти важливу роль у космологічній історії Всесвіту і може створити гравітаційні хвилі, які можна шукати за допомогою майбутніх детекторів гравітаційних хвиль”, - додали дослідники.

Майбутні дослідження темної матерії також можуть допомогти обмежити шанси на існування частинки, тому команда оптимістично оцінює, що їхня 5-вимірна концепція буде розвиватися поряд із досягненнями у фізиці елементарних частинок та космології. Окрім наслідків для розуміння темної матерії, ця частинка, якщо вона існує, може пролити світло на давні наукові дилеми, такі як загадка про аромати, чи проблема калібрувальної ієрархії, одночасно відкриваючи нове вікно до раннього Всесвіту.

“Можна було б вивчити потенційну роль, яку відіграє нова скалярна частинка в стабілізації додаткового виміру”, - сказала команда. “Це також може врешті-решт призвести до цікавої космологічної історії Всесвіту і може призвести до [питання] утворення гравітаційних хвиль. Це цікавий напрямок досліджень, яким ми плануємо слідувати у найближчі місяці”.

“Можна також спробувати знайти нові способи зондування цієї частинки на майбутніх адронних коллайдерах”, - підсумовують дослідники. “Як бачите, є дійсно багато речей, над якими можна подумати!”