100億ドルの費用がかかり、40年来の問題は未解決のまま

30年もの間、研究者たちは自然界がなぜそのように振る舞うのかを説明できる新たな基本粒子を探し求めてきたが、成果は得られなかった。物理学者たちはこの失敗に直面し、あらゆる物体はより小さな物体で構成されているという長年の仮定を再検討している。

ナタリー・ウォルチョーヴァー

翻訳者：李宇婷

科学哲学者トーマス・クーンは『科学革命の構造』の中で、科学者がゆっくりと進歩するには長い時間を要すると指摘しました。彼らは、クーン氏がパラダイムと呼んだ固定された世界観や理論的枠組みの中ですべてのデータを一様に解釈しながら、難しい問題を提起し、解決します。しかし、遅かれ早かれ、確立されたパラダイムと矛盾する事実が明らかになります。危機が起こります。科学者たちは知恵を絞って仮説を再検討し、最終的に、自然界に対する根本的に異なる、より現実的な理解という新しいパラダイムに向けて革命的な転換を遂げました。その後、徐々に進歩が再開されました。

数年にわたり、自然界の基本的な構成要素を研究する素粒子物理学者たちは、教科書的なクーンの危機の真っ只中にあった。

2016年、ジュネーブの大型ハドロン衝突型加速器（LHC）が大規模な改修にもかかわらず、理論家たちが何十年も期待していた新たな素粒子を生成できなかったことで、危機は否定できないものとなった。これらの余分な粒子は、既知の粒子である有名なヒッグス粒子に関する大きな謎を解くことになるだろう。このパズルは階層問題と呼ばれ、ヒッグス粒子がなぜそれほど軽いのか、つまり自然界で見つかる最も高いエネルギースケールの質量の1億分の1しかないのかを問うている。これらの高エネルギーに比べて、ヒッグス質量は不自然に小さくなっているように見える。まるで、その値を決定する基礎方程式の巨大な数字がすべて奇跡的に打ち消されるかのようだ。

余分な粒子はヒッグス粒子の微小な質量を説明し、物理学者が方程式の「自然さ」と呼ぶものを回復するはずだった。しかし、世界で3番目で最大の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）でもそれらの探索が失敗したことから、自然界で何が自然であるかという論理は間違っている可能性があるようだ。 「我々は、物理世界に関する最も基本的な疑問に取り組むために何十年も我々を導いてきた原理を再考する必要に直面している」と、欧州原子核研究機構（CERN、大型ハドロン衝突型加速器を収容する研究所）の理論部門責任者、ジャン・ジュディチェ氏は2017年に書いた。

最初、科学界は絶望した。

「悲観論が感じられました」と、当時大学院生だったカリフォルニア大学サンタバーバラ校カブリ理論物理学研究所の素粒子理論家イザベル・ガルシア・ガルシア氏は言う。 100億ドルの陽子衝突装置は40年来の疑問に答えられなかっただけでなく、長らく素粒子物理学を導いてきた信念と戦略ももはや信頼できない。宇宙は単に不自然であり、微調整された数学的オフセットの産物であるのではないかと、人々はこれまで以上に切実に疑問を抱いている。おそらく、ヒッグス質量やその他のパラメータがランダムな複数の宇宙からなる多元宇宙が存在し、私たちがここにいるのは、この宇宙の特殊な性質によって原子、恒星、惑星、そして生命の形成が促進されたからに他なりません。この「人類原理」はおそらく正しいものの、検証するのはいらだたしいほど不可能です。

カリフォルニア大学ロサンゼルス校の理論物理学者ナサニエル・クレイグ氏は、多くの素粒子物理学者が「階層問題ほど難しくない問題」のある他の研究分野に移っていると語る。

画像 |ナサニエル・クレイグとイザベル・ガルシア ガルシアは、重力が自然界の大きく異なるエネルギースケールを調和させるのにどのように役立つかを探ります。 (出典: ジェフ・リャン)

残った人々の中には、数十年前の仮定を詳しく調べ始めた人もいた。彼らは、不自然に微調整されているように見える自然の注目すべき特徴、つまりヒッグス粒子の質量が小さいことと、宇宙自体の不自然に低いエネルギーに関する一見無関係な疑問について考え直し始めた。 「本当の根本的な問題は自然さの問題だ」とガルシア・ガルシア氏は語った。

彼らの魂の探求は実を結びつつある。研究者たちは、自然さに関する伝統的な推論の弱点と思われるものにますます注目するようになっている。それは、古代ギリシャ以来の科学的ビジョンに組み込まれてきた、一見正しい仮定に基づいています。大きなものはより小さく、より基本的なものから構成されているという考え方は、還元主義と呼ばれます。 「還元主義のパラダイムは、自然さの問題に内在している」と、ニュージャージー州プリンストン高等研究所の理論家ニマ・アルカニ・ハメド氏は言う。

現在、自然性の問題と大型ハドロン衝突型加速器による無結果が還元主義の崩壊に関係している可能性があると考える素粒子物理学者が増えている。 「これはゲームチェンジャーになるのか？」アルカニ・ハメド氏は語った。

最近の一連の論文で、研究者たちは還元主義を捨て去った。彼らは、大きな距離スケールと小さな距離スケールを調和させ、還元主義の観点から不自然に微調整されたパラメータ値を生み出す新しい方法を模索しています。

「これを危機と呼ぶ人もいる。悲観的な雰囲気が漂っているが、私はそうは感じない」とガルシア・ガルシア氏は語った。今は、私たちが何か重大なことに取り組んでいるように感じる時です。 「

自然とは何か

LHCは、1つの重要な発見を成し遂げた。2012年に、ついにヒッグス粒子を発見したのだ。ヒッグス粒子は、17種類の既知の素粒子を記述する標準モデルとして知られる、50年にわたる素粒子物理学の理論の基礎となった。

ヒッグス粒子の発見は、標準モデル理論にすでに書かれている魅力的な物語を裏付けるものです。

ビッグバンの直後、ヒッグス場と呼ばれる空間に浸透していた実体に突然エネルギーが注入されました。このヒッグス場は崩壊してヒッグス粒子、つまり場のエネルギーによって質量を持つ粒子を生成します。電子、クォーク、その他の粒子が空間を移動すると、ヒッグス粒子と相互作用して質量を獲得します。

1975 年に標準モデルが完成してすぐに、その設計者は問題に気づきました。

ヒッグス粒子が他の粒子に質量を与えると、他の粒子はすぐにそれを返します。粒子の塊が一緒に揺れ動きます。物理学者は、ヒッグス粒子の質量について、それが相互作用するあらゆる粒子との関係を含む方程式を書くことができる。

標準モデルの質量を持つすべての粒子がこの方程式に寄与しますが、寄与するのはこれだけではありません。ヒッグス粒子は、プランクスケールの現象、重力の量子的性質に関連するエネルギーレベル、ブラックホール、ビッグバンなど、より重い粒子と数学的に混合されるはずです。プランクスケールの現象がヒッグス質量に及ぼす寄与は膨大で、実際のヒッグス質量のほぼ 1 億倍にもなるはずです。

当然、ヒッグス粒子もこれらと同じくらい重く、それによって他の素粒子も強化されると予想されます。粒子は原子を形成するには重すぎるため、宇宙は空っぽになります。

膨大なエネルギーに依存しているにもかかわらず、結局非常に軽くなってしまうヒッグス粒子については、その質量に対するプランク寄与が正と負の両方あり、その両方が完全に打ち消し合うのにちょうどよい量であると仮定する必要があります。

この打ち消しに何らかの理由がない限り、それはばかげているでしょう。空気の流れとテーブルの振動が互いに打ち消し合って鉛筆の先のバランスを保つことが不可能であるのと同じです。この微調整されたキャンセルは物理学者によって「不自然」であると考えられています。

数年のうちに、物理学者たちは満足のいく解決策、つまり自然界の基本粒子が二重の性質を持っているとする超対称性理論を発見した。超対称性理論によれば、すべてのボソン（2 種類の粒子のうちの 1 つ）には、パートナーであるフェルミオン（もう 1 つの種類）が存在し、その逆もまた同様です。ボソンとフェルミオンはそれぞれヒッグス質量に正と負の項を寄与します。

したがって、これらの項が常にペアで現れる場合、それらは常に打ち消されます。

超対称パートナー粒子の探索は、1990 年代に大型ハドロン衝突型加速器から始まりました。研究者たちは、これらの粒子は標準モデルの粒子よりもわずかに重く、発生にはより多くの原始エネルギーが必要であるという仮説を立て、粒子をほぼ光速まで加速して衝突させ、破片の中に重い物体が現れるかどうかを探した。

同時に、もう一つの自然さの問題が浮上しました。

空間の構造は、物質が存在しない場合でも、エネルギー、つまりそこを流れるすべての量子場の正味の活動を持っているはずである。

素粒子物理学者が空間のエネルギーへの推定上の寄与をすべて合計すると、ヒッグス質量と同様に、プランク規模の現象からのエネルギーの注入によって空間が爆発するはずであることがわかった。

アインシュタインは、宇宙定数と呼んだ空間のエネルギーが重力反発効果を持ち、それが空間をどんどん速く膨張させると信じていました。もし空間にプランク密度のエネルギーが注入されていたら、宇宙はビッグバンの直後に自ら分裂していただろう。しかし、それは起こりませんでした。

その代わりに、宇宙学者は宇宙の膨張がゆっくりと加速しているだけであることを観測し、宇宙定数が小さいことを示唆した。

1998 年の測定では、その値はプランクエネルギーの 100 兆分の 1 と低いことが示されました。同様に、宇宙定数の方程式では、こうした膨大なエネルギーの注入と抽出がすべて完全に相殺され、宇宙は不気味なほど静かになっているように見えます。

「重力は...あらゆる長さのスケールの物理現象を混ぜ合わせます。短距離、長距離。そして、それがそうするからこそ、この出口が生まれるのです。」 — ナサニエル・クレイグ

これら 2 つの大きな自然性の問題は 1970 年代後半から明らかでしたが、物理学者は何十年もの間、それらを無関係なものとして扱っていました。

「これは人々の意見が分かれている段階だ」とアルカニ・ハメド氏は語った。宇宙定数の問題は、重力の神秘的な量子的側面と関係があるように思われます。なぜなら、空間のエネルギーは重力の影響を通じてのみ検出されるからです。レベル調整の問題は「厄介な細かい問題」のように思われるとアルカニ・ハメド氏は説明した。これは、過去に起きた 2、3 件の問題と同様に、最終的にはパズルのピースが欠けていることが露呈するような種類の問題である。ジュディチェ氏がその不自然な軽さと呼ぶ「ヒッグス弱点」は、大型ハドロン衝突型加速器から出るいくつかの超対称粒子で解決できないものではない。

振り返ってみると、これら 2 つの自然さの問題は、より深刻な問題の症状のように思えます。

「こうした問題がどのようにして生じたのかを考えることは有益だ」とガルシア・ガルシア氏は今冬、サンタバーバラからのズーム通話で語った。 「階層問題と宇宙定数問題は、私たちが質問に答えるために使用するツール、つまり宇宙の特定の特徴を理解しようとする方法によって部分的に生じます。」

ちょうどいい還元主義

物理学者には、ヒッグス質量と宇宙定数の寄与を正直に数える独自の興味深い方法がある。

この計算アプローチは、自然の奇妙な入れ子構造を反映しています。

何かを拡大してみると、実際にはそれがたくさんの小さなものであることがわかります。

遠くから見ると銀河のように見えるものは、実際には星の集まりです。それぞれの星は多数の原子から構成されています。原子はさらに原子より小さい部分の階層に分解されます。

さらに、より短い距離スケールにズームアウトすると、より重く、よりエネルギーの高い素粒子や現象が見られます。これは、高エネルギーと短距離の間に深い関係があり、高エネルギー粒子加速器が宇宙の顕微鏡のような存在である理由を説明しています。

物理学の分野には、高エネルギーと短距離の関係を示す例が数多くあります。たとえば、量子力学では、すべての粒子は波でもあり、粒子の質量が大きいほど、関連する波長は短くなるとされています。もう 1 つは、より小さな物体を形成するには、エネルギーをより高密度に詰め込む必要があるということです。物理学者は、赤外線と紫外線の波長との類似性を利用して、低エネルギーの長距離物理学を「赤外線」、高エネルギーの短距離物理学を「紫外線」と呼びます。

1960 年代と 1970 年代に、素粒子物理学の巨匠ケネス・ウィルソンとスティーブン・ワインバーグは、自然の階層構造について注目すべき点を指摘しました。それは、階層構造によって、さらに小さな紫外線スケールで「実際に」何が起こっているかを知らなくても、大きな赤外線スケールで興味深い特性を記述できるという点です。たとえば、水を滑らかな流体として扱い、H2O 分子の複雑なダイナミクスを隠す流体力学方程式を使用して水をモデル化できます。流体力学の方程式には、水の粘度を表す項が含まれています。これは、赤外線スケールで測定可能な単一の数値であり、紫外線スケールで発生するすべての分子相互作用を要約したものです。物理学者らは、赤外線と紫外線のスケールを「分離」することで、プランクスケールの深部で何が起こっているかを知ることなく、世界のさまざまな側面を効果的に記述できるようになると述べている。プランクスケールとは、1兆分の1センチメートルのさらに10億分の1、つまり1000億電子ボルト（GeV）のエネルギーに相当する究極の紫外線スケールで、このスケールでは時空構造が別の何かに溶解する可能性がある。

ケネス・ウィルソンは、1960 年代から 2000 年代初頭にかけて活躍したアメリカの素粒子物理学者および凝縮物質物理学者であり、システムの特性が測定されるスケールに応じてどのように変化するかを記述する正式な数学的手法を開発しました。 (出典: コーネル大学教職員経歴アーカイブ、#47-10-3394。コーネル大学図書館の貴重品および原稿コレクション。)

「短距離で何が起きるかを知らないままでいられるからこそ、物理学を研究できるのだ」と、スイス連邦工科大学ローザンヌ校の理論物理学者リカルド・ラタッツィ氏は言う。 ”

ウィルソンとワインバーグは、素粒子物理学者が入れ子になった世界のさまざまなレベルをシミュレートするために使用するフレームワークの一部である有効場理論を独自に開発しました。自然性の問題が生じるのは、有効場理論の文脈においてです。

有効場理論は、さまざまなスケールにわたって、陽子と中性子のビームなどのシステムをモデル化します。陽子と中性子をしばらく拡大すると、それらは陽子と中性子のように見え続け、この範囲でのそれらのダイナミクスを「カイラル有効場理論」を使用して記述できます。しかし、有効場理論は「紫外線カットオフ」、つまり短距離の高エネルギースケールに到達し、有効場理論ではシステムの有効な説明ができなくなります。たとえば、1 GeV のカットオフでは、陽子と中性子が単一の粒子ではなく 3 つのクォークのように振る舞うため、カイラル有効場理論は機能しなくなります。別の理論が登場します。

重要なのは、有効場理論が UV カットオフで破綻するのには理由があるということです。カットオフポイントとは、理論に含まれていない新しい高エネルギー粒子または現象が発見されなければならない点です。

有効場理論は、その有効範囲内で、これらの未知の効果を表す「補正」を追加することによって、カットオフ以下の UV 物理を説明します。これは、短距離の分子衝突の純粋な効果を捉えるための粘性項を持つ流体方程式のようなものです。物理学者は、これらの修正を書くために、カットオフで実際に何が起こっているかを知る必要はありません。彼らは、カットオフのスケールを、有効性の範囲の大まかな推定値として使用しているだけです。

通常、関心のある IR スケールで何かを計算する場合、UV 補正は小さく、カットオフに関連付けられた (比較的小さい) 長さスケールに比例します。しかし、有効場理論を使用してヒッグス質量や宇宙定数などのパラメータを計算すると、これらのパラメータには質量やエネルギーの単位があるため、状況は変わります。パラメータに対する UV 補正は大きくなります。これは、(正しい単位を得るために) 補正がカットオフに関連付けられた長さではなくエネルギーに合わせて調整されるためです。長さが短いほどエネルギーは高くなります。このようなパラメータは「UV に敏感」であると言われています。

自然さの概念は、有効場理論自体とともに、有効場理論がどこで停止しなければならないかを識別するための戦略として 1970 年代に登場しました。

したがって、新しい物理学が存在するはずです。論理はこうです。質量またはエネルギー パラメータのカットオフ値が高い場合、その値は当然大きくなり、すべての UV 補正によってさらに高くなります。したがって、このパラメータが小さい場合、カットオフエネルギーは低くなければなりません。

一部の批評家は、自然さは単に美的嗜好であると主張しています。しかし、この戦略は自然についての正確で隠された真実を明らかにすると指摘する人もいる。 「その論理は正しい」と、最近の再公約のリーダーであるクレイグ氏は語った。自然さの問題は「常に物事が変化し、何か新しいものが出現するはずであることを示す兆候であった」。

自然は何ができるでしょうか?

「自然さ」という言葉が作られる数年前の 1974 年、メアリー・K・ガイヤールとベン・リーはこの戦略を使用して、当時チャーム クォークと呼ばれていた仮説上の粒子の質量を劇的に予測しました。 「彼女の予測の成功とそれが階層的問題に関係していることは、私たちの分野では過小評価されています」とクレイグ氏は語った。

1974 年の夏、ガイヤールとリーは、クォークの複合体である 2 つのクォーク粒子の質量の違いに困惑していました。測定値の差は小さいです。

しかし、有効場理論の方程式を使用してこの質量差を計算しようとしたとき、その値が爆発する危険があることがわかりました。高質量差には質量単位があるため、紫外線に敏感であり、カットオフポイントで未知の物理から高エネルギー補正を受けます。理論のカットオフポイントは不明だったが、当時の物理学者は、それがあまり高くはならないと推論した。さもないと、結果として生じる高サブオン質量の差は、補正値に比べて奇妙に小さくなるだろう。物理学者が今言うように、不自然だ。

ガイヤールとリーは、有効場理論のカットオフスケールが低いと推測し、そこから新しい物理学が出現するはずだとしました。彼らは、当時提案されたチャームクォークと呼ばれるクォークは、質量が 1.5 GeV 以下のものが発見されるはずだと信じていました。

3ヵ月後、重さ1.2 GeVの明るいクォークが出現しました。この発見は、11月革命として知られる知識のルネッサンスをもたらし、標準モデルの完成を急速に前進させました。 82歳のガイヤールさんは最近のビデオ通話で、このニュースが報じられたとき、欧州原子核研究機構（CERN）を訪問していたことを振り返った。リーは彼女に電報を送った。「魅力を発見しました。」

1974 年、メアリー・K・ガイヤール (1990 年代の写真) とベン・リーは、自然性議論を使用して、チャーム クォークと呼ばれる仮想の素粒子の質量を予測しました。数ヶ月後、その魅力が明らかになりました。 (出典: AIP エミリオ セグレ ビジュアル アーカイブ)

このような勝利により、多くの物理学者は、階層問題から、新しい粒子は標準モデルの粒子よりもそれほど重くないことも予測できるはずだと確信した。

もし標準モデルがプランクスケール付近のどこかで破綻すると（研究者たちは標準モデルが量子重力を考慮していないために破綻すると確信している）、ヒッグス粒子の質量に対する紫外線補正は非常に大きくなり、ヒッグス粒子は不自然に軽くなってしまうだろう。ヒッグス粒子自体の質量よりそれほど大きくないカットオフを設定すると、ヒッグス質量はカットオフからの補正と同じくらい重くなり、すべてが自然に見えます。

「このアプローチは、過去40年間の階層問題の解決に向けた取り組みの出発点となってきた」とガルシア・ガルシア氏は語った。 「人々は超対称性やヒッグス合成のような素晴らしいアイデアを思いついたが、自然界でそれが実現されたのを見たことがない。」

2016年、ガルシアはオックスフォード大学で素粒子物理学の博士号を取得しました。数年が経つにつれ、彼女は清算が必要だと悟った。 「そのとき、私たちが問題について話すときに通常考えない、この欠けている部分、つまり重力にもっと興味を持ち始めたのです。そして、この問題は有効場理論よりも量子重力でより多く見られます。」

重力はすべてを混ぜ合わせる

理論家たちは 1980 年代に、重力が通常の還元主義的な規則に従って作用しないことを知りました。

2 つの粒子を激しく衝突させると、そのエネルギーが衝突点に集中し、ブラックホールが形成されます。ブラックホールは、何ものも逃れることのできない極度の重力領域です。粒子を強く衝突させると、より大きなブラックホールが形成されます。エネルギーが多ければ多いほど、より近い距離が見えることはなくなり、むしろ逆に、より激しく衝突すればするほど、目に見えない領域が大きくなります。ブラックホールとその内部を記述する量子重力理論は、高エネルギーと短距離の間の通常の関係を完全に逆転させます。 「重力は反還元主義だ」とニューヨーク大学の物理学者セルゲイ・ドゥボフスキー氏は言う。

量子重力は、物理学者が慣れ親しんできた有効場理論の整然としたスケールのネストされたシステムを嘲笑しながら、自然の構造を弄んでいるように思われる。クレイグは、ガルシア・ガルシアと同様に、大型ハドロン衝突型加速器での調査で何も発見されなかった直後から、重力の意味について考え始めた。階層問題に対する新たな解決策を考えようとしながら、クレイグは CERN の理論家ジュディチェによる自然性に関する 2008 年の論文を読み直しました。

彼はジュディチェが何を意味しているのか疑問に思い始めた。ジュディチェは、宇宙定数問題の解決には「赤外線効果と紫外線効果の複雑な相互作用」が関係している可能性があると書いていたのだ。赤外線と紫外線が複雑な相互作用を持つ場合、有効場理論が機能できるようにする通常の分離に違反することになります。 「私はただ『UV-IRハイブリッド』のようなことをグーグルで検索しただけです」とクレイグ氏は語り、そのおかげで1999年の興味深い論文がいくつか見つかり、「それで始めたんです」と語った。

「今、私たちは何か重大なことに取り組んでいるように感じています。」 - イザベル・ガルシア・ガルシア

UV-IR 混成は、有効場理論の還元主義的スキームを破ることによって、自然性の問題を解決する可能性を秘めています。有効場理論では、ヒッグス質量や宇宙定数などの量が紫外線に敏感になるが、何らかの理由で爆発しないときに自然性の問題が生じ、あたかもすべての紫外線物理学の間で、赤外線での影響を無効にするための陰謀があるかのように見える。 「有効場理論の論理では、この可能性は排除されます」とクレイグは説明します。

還元主義によれば、赤外線物理学は紫外線物理学から派生し、水の粘性は分子動力学から派生し、陽子は内部のクォークから特性を得て、説明は拡大によって生じるのであって、その逆ではない。紫外線は赤外線の影響を受けず、また赤外線によって説明されることもないので、「ヒッグス粒子のことがまったく異なる規模で解決される原因となる[紫外線効果の]陰謀はあり得ない」。

クレイグが今提起している疑問は、「有効場理論の論理は破綻するのか？」である。おそらく、説明は紫外線と赤外線の間で双方向に流れる可能性がある。 「

「これはまったくの空想ではありません。なぜなら、重力がこのように働くことはわかっているからです」と彼は言う。「重力は、短距離と長距離の両方において、あらゆる長さのスケールの物理を混ぜ合わせるため、通常の有効場理論の推論に反します。」それがそうであるからこそ、あなたにこの出口が与えられるのです。 ”

UV-IRハイブリッド化が自然さを保つ方法

UV-IR 混合とそれが自然さの問題をどのように解決するかに関するいくつかの新しい研究は、1999 年に発表された 2 つの論文に言及しています。「これらのより風変わりな非場理論的な問題解決方法への関心が高まっています」と、最新の研究が 1999 年の論文であるイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の教授、パトリック・ドレイパーは述べています。

ドレイパー氏とその同僚は、1999 年の論文の著者であるアンドリュー・コーエン氏、デビッド・B・カプラン氏、アン・ネルソン氏にちなんで名付けられた CKN 制約を研究しました。彼らは、箱の中に粒子を入れて加熱すると、箱がブラックホールに崩壊する前に粒子のエネルギーをある程度までしか増加させることができないと考えました。

彼らの計算によると、箱が崩壊する前に収容できる高エネルギー粒子状態の数は、箱の容積ではなく、箱の表面積の 4 分の 1 乗に比例するそうです。

彼らは、これが奇妙な紫外線と赤外線の関係を表していることに気づいた。赤外線スケールを設定するボックスのサイズにより、ボックス内に存在できる高エネルギー粒子の状態の数（紫外線スケール）が厳しく制限されます。

そして彼らは、同じ制約が宇宙全体に適用されれば、宇宙定数の問題が解決されることに気づきました。この場合、観測可能な宇宙は非常に大きな箱のようなものです。宇宙が含むことができる高エネルギー粒子状態の数は、観測可能な宇宙の表面積の 3 乗に比例するのであって、（はるかに大きい）宇宙の体積に比例するのではない。

これは、宇宙定数の通常の有効場の理論的計算が単純すぎることを意味します。

こうした計算から、空間の構造を拡大すると高エネルギー現象が現れ、空間を爆発させるほどのエネルギーが存在するはずだということがわかります。しかし、CKN 制約は、有効場の理論計算で想定されるよりも高エネルギー活動がはるかに少ない可能性があることを意味しており、これは粒子が占める高エネルギー状態が非常に少ないことを意味します。コーエン、カプラン、ネルソンは簡単な計算を行い、私たちの宇宙の大きさの箱について、彼らの制約条件は観測された宇宙定数の小さな値を多かれ少なかれ正確に予測しました。

彼らの計算によれば、宇宙定数など、宇宙全体の赤外線特性を見ると、大規模スケールと小規模スケールが相関関係にあることが分かる。

ドレイパーとニキータ・ブリノフは昨年、別の大まかな計算で、CKN制約が観測された宇宙定数を予測することを確認した。また、小規模実験における有効場理論の多くの成功がこれによって損なわれることはないことも確認された。

CKN 制約では、UV と IR が相関している理由、つまりボックス (IR) のサイズによってボックス (UV) 内の高エネルギー状態の数が厳しく制約される理由がわかりません。このためには、量子重力を理解する必要があるかもしれません。

他の研究者たちは、量子重力の特定の理論である弦理論の中に答えを探してきました。昨年の夏、弦理論家のスティーブン・エイベルとキース・ディーネスは、弦理論における紫外線と赤外線の混合が階層構造と宇宙定数の問題を解決できることを示した。

重力やその他のすべてのものの基本理論の候補である弦理論は、すべての粒子は近くで見ると小さな振動する弦であると主張しています。光子や電子のような標準モデルの粒子は、基本的な弦の低エネルギー振動モードです。しかし、弦はよりエネルギー的に揺れ動くこともでき、エネルギーがどんどん高くなる弦の状態の無限のスペクトルを生み出します。この場合、階層問題では、ヒッグス粒子を保護する超対称性のようなものが存在しないのに、なぜこれらの弦状態補正によって膨張しないのかが問われます。

ディエンスとアベルは、モジュラー不変性と呼ばれる弦理論の異なる対称性により、赤外線から紫外線までの無限スペクトルにわたるすべてのエネルギーでの弦状態の補正がちょうど良い形で互いに打ち消し合い、ヒッグス質量と宇宙定数の両方を小さくするだろうと計算した。研究者らは、低エネルギー弦状態と高エネルギー弦状態のこの共謀は、そもそもヒッグス質量とプランクエネルギーの間になぜこれほど大きなギャップがあるのか​​を説明するものではなく、このギャップが安定していることだけを説明するものだと指摘している。しかし、クレイグ氏は「それは本当に良いアイデアだ」と考えている。

新しいモデルは、UV-IR ハイブリッドの考え方の拡大を表しています。クレイグの研究の視点は、高等研究所の著名な理論家であるネイサン・セイバーグと2人の共著者によって書かれた1999年の別の論文にまで遡ることができます。彼らは、空間を満たす背景磁場がある場合を研究しました。ここで UV-IR 混合がどのように発生するかを理解するには、バネで接続された一対の荷電粒子が磁場に垂直に空間を飛行することを想像してください。磁場の強さを強めると、荷電粒子の速度が離れ、バネが伸びます。このシナリオでは、エネルギーが高いほど距離が長くなります。

「重力は反還元主義だ。」 —セルゲイ・ドゥボフスキー

Seiberg らこの場合の UV 補正には、還元主義を逆転させることができることを示唆する特殊な特徴があること、つまり赤外線が UV で起こることに影響を及ぼすことがわかりました。実際の宇宙には背景の方向性を強制する磁場が存在しないため、このモデルは現実的ではありません。しかし、クレイグ氏は、同様のことがレイヤリング問題の解決策になるかどうかを検討してきました。

クレイグ、ガルシア・ガルシア、セス・コーレンは、弱重力仮説として知られる量子重力の問題にも共同で取り組みました。もしこれが真実であれば、ヒッグス質量とプランクスケールの間に当然大きな隔たりを必要とする一貫性条件が課されることになるかもしれない。

ニューヨーク大学のデュボフスキー氏は、少なくとも2013年に大型ハドロン衝突型加速器で超対称粒子の動きが遅いことが明らかになって以来、これらの疑問について考え続けてきた。その年、彼と2人の共同研究者は、階層問題を解決する量子重力の新しいモデルを発見しました。このモデルでは、還元主義の矢印は中間スケールから紫外線と赤外線の両方を指しています。魅力的に聞こえるものの、このモデルは 2 次元でしか機能せず、Dubovsky 氏はそれをどのように拡張すればよいのかわかりませんでした。彼は他の問題に目を向けた。昨年、彼は再びUV-IRミックスに遭遇した。彼は、衝突するブラックホールを研究する際に生じる自然さの問題は、ブラックホールの形状の低周波変形と高周波変形を結び付ける「隠れた」対称性によって解決されることを発見した。

他の研究者と同様に、ドゥボフスキー氏は、これまでに発見された特定のモデルのいずれも、クーニアン革命の明確な兆候を示しているとは考えていないようだ。 UV-IR ハイブリッドのコンセプト全体には期待が持てないと考える人もいます。 「有効場理論が破綻する兆候はまだ見られない」とジョンズ・ホプキンス大学の理論物理学者デビッド・E・カプラン氏は述べた（CKN論文とは無関係）。 「そこには何もないと思うよ。」

この考えをすべての人に納得させるには実験的証拠が必要ですが、これまでのところ、既存の UV-IR 混合モデルは検証可能な予測という点ではひどく不十分です。これらは通常、標準モデルを超える新しい粒子が何を見るべきかを予測するのではなく、なぜ標準モデルを超える新しい粒子が見られないのかを説明することを目的としています。しかし、宇宙論においては、たとえ衝突型加速器によるものでなくても、将来の予測や発見には常に希望がある。

総合すると、新しいハイブリッド UV-IR モデルは、完全に還元主義と有効場理論に基づいたパラダイムである古いパラダイムの弱点を示していますが、これはほんの始まりに過ぎないかもしれません。

「プランクスケールに達すると還元主義は失われ、重力は反還元主義的になる」とドゥボフスキー氏は語った。 「ある意味では、この事実が私たちが観察していることに大きな影響を与えなかった場合、それは残念だと思います。」

参考文献:

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

学術的見出し