(Phys.org) - En av de obesvarade frågorna inom partikelfysik är hierarkiproblemet, vilket har konsekvenser för att förstå varför några av de grundläggande krafterna är så mycket starkare än andra. Styrkorna hos krafterna bestäms av massorna av deras motsvarande kraftbärande partiklar (bosoner), och dessa massor bestäms i sin tur av Higgs -fältet, mätt med Higgs vakuumförväntningsvärde.

Så hierarkiproblemet anges ofta som ett problem med Higgs -fältet:specifikt varför är Higgs vakuumförväntningsvärde så mycket mindre än de största energivågorna i universum, i synnerhet i vilken skala tyngdkraften (den klart svagaste av krafterna) blir stark? Att förena denna uppenbara skillnad skulle påverka fysikers förståelse av partikelfysik på den mest grundläggande nivån.

"Hierarkiproblemet är en av de djupaste frågorna inom partikelfysik, och nästan var och en av dess kända lösningar motsvarar en annan syn på universum, "Raffaele Tito D'Agnolo, en fysiker på Princeton, berättade Phys.org . "Att identifiera det rätta svaret kommer inte bara att lösa ett konceptuellt pussel, men kommer att förändra vårt sätt att tänka på partikelfysik. "

I en ny artikel publicerad i Fysiska granskningsbrev , D'Agnolo och hans medförfattare har föreslagit en lösning på hierarkiproblemet som involverar flera (upp till 10 ¹⁶ ) kopior av standardmodellen, var och en med ett annat Higgs -vakuumförväntningsvärde. I denna modell, universum består av många sektorer, var och en styrs av sin egen version av standardmodellen med sitt eget Higgs vakuumförväntningsvärde. Vår sektor är den med det minsta värdet på noll.

Om, i det mycket tidiga universum, alla sektorer hade jämförbara temperaturer och till synes lika stora chanser att dominera, varför gjorde vår sektor, med det minsta Higgs vakuumförväntningsvärdet utan noll, komma att dominera? Fysikerna introducerar en ny mekanism som kallas ett "uppvärmningsfält" som förklarar detta genom att värma upp universum när det förfaller. Fysikerna visar att det finns flera sätt på vilka uppvärmningsfältet företrädesvis kunde ha förfallit till och deponerat majoriteten av sin energi i sektorn med det minsta Higgs -vakuumförväntningsvärdet, vilket får denna sektor att så småningom dominera och bli vårt observerbara universum.

Jämfört med andra föreslagna lösningar på hierarkiproblemet, som supersymmetri och extra dimensioner, det nya förslaget-som fysikerna kallar "N-naturlighet"-är annorlunda genom att lösningen inte enbart bygger på nya partiklar. Även om det nya förslaget delar vissa funktioner med både supersymmetri och extra dimensioner, en av dess unika egenskaper är att det inte bara är nya partiklar, men ännu viktigare kosmologisk dynamik, det är centralt för lösningen.

"N-naturligheten skiljer sig kvalitativt från lösningarna på det hierarkiproblem som föreslogs tidigare, och det förutsäger signaler i kosmiska mikrovågsbakgrund (CMB) experiment och storskaliga strukturundersökningar, två naturprober som man trodde inte var relaterade till problemet, "Sade D'Agnolo.

Som fysikerna förklarar, det bör vara möjligt att upptäcka signaturer av N-naturlighet genom att söka efter tecken på förekomsten av andra sektorer. Till exempel, framtida CMB -experiment kan upptäcka extra strålning och förändringar i neutrino -kosmologi, eftersom neutrinoer i närliggande sektorer förväntas bli något tyngre och mindre rikliga än de i vår sektor. Detta tillvägagångssätt är intressant av en annan anledning:neutrinoerna i de andra sektorerna är också en livskraftig kandidat för mörk materia, som forskarna planerar att studera mer i detalj. Framtida experiment kan också hitta signaturer av N-naturlighet i form av en större än förväntad massa axionpartiklar, samt supersymmetriska signaturer på grund av möjliga kopplingar till supersymmetri.

"Om nya relativistiska arter inte upptäcks av nästa generation av CMB -experiment (steg 4), då kommer jag sluta tänka på N-naturlighet som en möjlig lösning på hierarkiproblemet, "Sade D'Agnolo." Enligt den aktuella tidslinjen, dessa experiment bör börja ta data runt 2020 och nå sina fysikmål om cirka fem år. "

© 2017 Phys.org