物理学では、隔離とは何ですか？

物理学の文脈では、隔離は、特定の粒子と力を余分な次元に限定し、標準モデルを構成する粒子と力との相互作用を防止または最小化する手段として提案されています。 ひも理論、M理論、超対称性（SUSY）に特に関連するアイデアは、理論物理学者のリサランドールとラマンサンドラムによって開発されました。 隔離は素粒子物理学におけるいくつかの主要な問題を解決するかもしれません。 特に、「フレーバー違反」として知られる別の問題を回避しながら、超対称性を破ることにより「階層問題」として知られるものに対する解決策を提供します。

物理学者は、すべての素粒子の特性を説明するだけでなく、電磁力、強い核力と弱い核力、重力の4つの自然の力を結合する大統一理論（GUT）を長い間求めてきました。 そのような理論が対処しなければならない大きな問題は、一般相対性理論と量子理論および標準モデルとの明らかな非互換性です。 電子やクォークなどの物質の最も基本的な単位が非常に小さく、一次元の、ひも状の存在とみなされるひも理論は、そのような理論の1つの試みです。 これは、「バルク」として知られる高次元の空間に浮かぶ2次元および3次元の「ブレーン」に弦を拡張できるM理論に発展しました。

重力を描くことに伴う問題に加えて、階層モデルとして知られる標準モデル自体にも問題があります。 簡単に言えば、階層の問題は重力が他の自然の力よりも非常に弱い理由に焦点を当てていますが、それはまた、互いに大きく異なるいくつかの仮想の力を運ぶ粒子の質量の予測値を含みます。 特に仮想粒子の1つであるヒッグス粒子は比較的軽いと予測されていますが、仮想粒子からの量子の寄与により、少なくとも並外れた微調整なしに、非常に質量が大きくなるはずです。 これは、ほとんどの物理学者によって非常にありそうにないと考えられているので、格差を説明するために、いくつかの根本的な原理が求められています。

超対称性（SUSY）の理論は、1つの可能な説明を提供します。 これは、すべてのフェルミオン（または物質形成粒子）に対してボソン（または力を運ぶ粒子）およびその逆が存在するため、標準モデルのすべての粒子には超対称パートナーまたは「スーパーパートナー」があることを示しています。観察されていませんが、それは対称性が破られていること、そして超対称性は非常に高いエネルギーでのみ存在することを意味します。 この理論によれば、階層問題は、仮想粒子とそのスーパーパートナーの質量寄与が相殺され、標準モデルの見かけ上の矛盾が解消されるという事実によって解決されます。 ただし、超対称性には問題があります。

クォークなどの粒子を形成する基本的な物質は、質量が異なる3世代または「フレーバー」で提供されます。 超対称性が破られると、相互作用のホスト全体が発生する可能性があり、そのいくつかはこれらの粒子のフレーバーを変えるでしょう。 これらの相互作用は実験的には観察されないため、超対称性の破れの理論には、フレーバー違反と呼ばれるものを防ぐメカニズムが含まれている必要があります。

これが隔離の出番です。高次元のバルクに浮かぶ3次元ブレーンの概念に戻ると、標準モデルの粒子と力が存在するブレーンとは別のブレーンに超対称性の破れを封鎖することが可能です。 超対称性の破れの効果は、バルク内を移動できる力を運ぶ粒子によって標準モデルのブレーンに伝えられますが、そうでなければ、標準モデルの粒子は壊れていない超対称性と同じように動作します。 対称性を破るブレーンと標準モデルのブレーンの両方と相互作用する可能性のあるバルク内の粒子は、発生する可能性のある相互作用を決定し、観測されないフレーバーを変化させる相互作用を除外する場合があります。 この理論は、重力子（仮想の重力を運ぶ粒子）がこの役割を果たす場合にうまく機能します。

ひも理論とM理論に関連する他の多くのアイデアとは異なり、隔離された超対称性をテストすることは可能だと思われます。 ボドのスーパーパートナーの質量-力を運ぶ粒子-を予測します。これは、ラージハドロンコライダー（LHC）によって達成可能なエネルギーの範囲内にあります。 これらの粒子がLHCによって観測された場合、それらの質量は予測されたものと一致します。 ただし、2011年現在、LHCでの実験では、これらのスーパーパートナーが出現すると予想されるエネルギーでこれらのスーパーパートナーを検出できませんでした。この結果は、SUSYの最も単純なバージョンを除外するようです。 たとえSUSYが間違っていると証明されたとしても、隔離のアイデアは、物理学の他の問題や謎に関してはまだ有用な用途があるかもしれません。