(Phys.org) — Een van de onbeantwoorde vragen in de deeltjesfysica is het hiërarchieprobleem, wat implicaties heeft om te begrijpen waarom sommige van de fundamentele krachten zoveel sterker zijn dan andere. De sterkten van de krachten worden bepaald door de massa's van hun corresponderende krachtdragende deeltjes (bosonen), en deze massa's worden op hun beurt bepaald door het Higgs-veld, zoals gemeten door de Higgs vacuüm verwachtingswaarde.

Dus het hiërarchieprobleem wordt vaak genoemd als een probleem met het Higgs-veld:specifiek, waarom is de verwachtingswaarde van het Higgs-vacuüm zo veel kleiner dan de grootste energieschalen in het universum, in het bijzonder de schaal waarop de zwaartekracht (veruit de zwakste van de krachten) sterk wordt? Het verzoenen van deze schijnbare discrepantie zou van invloed zijn op het begrip van natuurkundigen van deeltjesfysica op het meest fundamentele niveau.

"Het hiërarchieprobleem is een van de diepste vragen in de deeltjesfysica, en bijna al zijn bekende oplossingen komen overeen met een andere visie op het universum, "Raffaele Tito D'Agnolo, een natuurkundige in Princeton, vertelde Phys.org . "Het identificeren van het juiste antwoord zal niet alleen een conceptuele puzzel oplossen, maar zal de manier waarop we denken over deeltjesfysica veranderen."

In een nieuw artikel gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , D'Agnolo en zijn co-auteurs hebben een oplossing voorgesteld voor het hiërarchieprobleem waarbij meerdere (tot 10 ¹⁶ ) exemplaren van het standaardmodel, elk met een andere Higgs vacuüm verwachtingswaarde. Bij dit model is het heelal bestaat uit vele sectoren, die elk worden beheerst door zijn eigen versie van het standaardmodel met zijn eigen Higgs-vacuümverwachtingswaarde. Onze sector is de sector met de kleinste niet-nulwaarde.

Indien, in het zeer vroege heelal, alle sectoren hadden vergelijkbare temperaturen en schijnbaar gelijke kansen om te domineren, waarom heeft onze sector, met de kleinste niet-nul Higgs vacuüm verwachtingswaarde, komen domineren? De natuurkundigen introduceren een nieuw mechanisme, een 'opwarmveld' genaamd, dat dit verklaart door het universum op te warmen terwijl het vervalt. De natuurkundigen laten zien dat er verschillende manieren zijn waarop het herverhittingsveld bij voorkeur zou kunnen zijn vervallen in en het grootste deel van zijn energie in de sector met de kleinste Higgs-vacuümverwachtingswaarde zou kunnen hebben gedeponeerd, waardoor deze sector uiteindelijk domineert en ons waarneembare universum wordt.

In vergelijking met andere voorgestelde oplossingen voor het hiërarchieprobleem, zoals supersymmetrie en extra dimensies, het nieuwe voorstel - dat de natuurkundigen "N-natuurlijkheid" noemen - is anders omdat de oplossing niet alleen op nieuwe deeltjes berust. Hoewel het nieuwe voorstel enkele kenmerken deelt met zowel supersymmetrie als extra dimensies, een van zijn unieke kenmerken is dat het niet alleen nieuwe deeltjes zijn, maar nog belangrijker kosmologische dynamiek, dat staat centraal in de oplossing.

"N-natuurlijkheid is kwalitatief verschillend van de oplossingen voor het hiërarchieprobleem die in het verleden zijn voorgesteld, en het voorspelt signalen in experimenten met kosmische microgolfachtergrond (CMB) en grootschalige structuuronderzoeken, twee sondes van de natuur waarvan werd gedacht dat ze niets met het probleem te maken hadden, ' zei D'Agnolo.

Zoals de natuurkundigen uitleggen, het moet mogelijk zijn om handtekeningen van N-natuurlijkheid op te sporen door te zoeken naar tekens van het bestaan ​​van andere sectoren. Bijvoorbeeld, toekomstige CMB-experimenten kunnen extra straling en veranderingen in de neutrino-kosmologie detecteren, aangezien neutrino's in nabijgelegen sectoren naar verwachting iets zwaarder en minder overvloedig zullen zijn dan die in onze sector. Deze benadering is om een ​​andere reden interessant:de neutrino's in de andere sectoren zijn ook een levensvatbare kandidaat voor donkere materie, die de onderzoekers van plan zijn om in meer detail te bestuderen. Toekomstige experimenten kunnen ook handtekeningen van N-natuurlijkheid vinden in de vorm van een groter dan verwachte massa axiondeeltjes, evenals supersymmetrische handtekeningen vanwege mogelijke verbindingen met supersymmetrie.

"Als nieuwe relativistische soorten niet worden gedetecteerd door de volgende generatie CMB-experimenten (fase 4), dan stop ik met denken aan N-natuurlijkheid als een mogelijke oplossing voor het hiërarchieprobleem, " zei D'Agnolo. "Volgens de huidige tijdlijn, deze experimenten zouden rond 2020 moeten beginnen met het verzamelen van gegevens en hun natuurkundige doelen over ongeveer vijf jaar bereiken."

© 2017 Fys.org