Может ли Большой адронный коллайдер разрушить теорию струн?

Новости сегодня - Может ли Большой адронный коллайдер разрушить теорию струн?

В физике есть два великих столпа мысли, которые не вполне согласуются друг с другом. Стандартная модель физики элементарных частиц описывает все известные фундаментальные частицы и три взаимодействия: электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. В то же время общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию и структуру пространства-времени.

Однако, по словам Джонатана Хекмана, физика-теоретика из Пенсильванского университета, эти подходы во многом фундаментально несовместимы. Стандартная модель рассматривает силы как динамические поля частиц, в то время как общая теория относительности рассматривает гравитацию как гладкую геометрию пространства-времени, поэтому гравитация «не вписывается в Стандартную модель физики», объясняет он.

В недавней статье в журнале Physical Review Research Хекман, Ребекка Хикс, аспирантка Школы искусств и наук Пенсильванского университета, и их коллеги переворачивают эту критику с ног на голову. Вместо того, чтобы спрашивать, что предсказывает теория струн, авторы спрашивают, чего она определённо не может создать. Их ответ указывает на одну экзотическую частицу, которая может появиться на Большом адронном коллайдере (БАК). Если эта частица появится, вся система теории струн, по словам Хекмана, окажется «под серьёзным ударом».

Теория струн: хорошая, плохая, энергоемкая

Хекман говорит , что на протяжении десятилетий физики искали единую теорию , которая могла бы примирить квантовую механику и, как следствие, поведение субатомных частиц с гравитацией, которая в общей теории относительности описывается как динамическая сила, но не до конца понята в квантовом контексте.

Хорошим претендентом на объединение гравитации и квантовых явлений является теория струн, которая постулирует, что все частицы, включая гипотетическую, представляющую гравитацию, являются крошечными вибрирующими струнами, и которая обещает единую структуру, охватывающую все силы и материю.

«Но один из недостатков теории струн заключается в том, что она оперирует многомерной математикой и обширным „ландшафтом“ возможных вселенных, что делает ее экспериментальную проверку чертовски сложной», — говорит Хекман, указывая на то, что для математической согласованности теории струн требуется больше, чем привычные четыре измерения — x, y, z и время.

«Большинство версий теории струн требуют в общей сложности 10 или 11 измерений пространства-времени, причем дополнительные измерения как бы „сворачиваются“ или накладываются друг на друга до чрезвычайно малых масштабов», — говорит Хикс.

Чтобы сделать ситуацию еще сложнее, отличительные особенности поведения теории струн отчетливо проявляются только при огромных энергиях, «намного превосходящих те, с которыми мы обычно сталкиваемся или даже генерируем в современных коллайдерах», говорит Хекман.

Хикс сравнивает это с увеличением удаленного объекта: при обычных, более низких энергиях струны выглядят как обычные точечные частицы, точно так же, как далекая веревка может казаться одной линией.

«Но когда вы резко увеличиваете энергию, вы начинаете видеть взаимодействия такими, какие они есть на самом деле — как струны вибрируют и сталкиваются», — объясняет она. «При более низких энергиях детали теряются, и мы снова видим просто знакомые частицы. Это как издалека невозможно различить отдельные волокна в верёвке. Видна лишь одна гладкая линия».

Вот почему физики, которые ищут признаки теории струн, должны переводить свои коллайдеры — такие как LHC — на все более высокие энергии, надеясь уловить проблески фундаментальных струн, а не только их низкоэнергетические проявления под видом обычных частиц.

Зачем теории струн предоставлять частицу, которую она, скорее всего, не сможет вернуть?

Проверка теории часто подразумевает поиск предсказаний, подтверждающих её истинность. Но, по словам Хекмана, более действенная проверка — это точное определение того, где теория терпит неудачу. Если учёные обнаруживают, что то, что теория запрещает, действительно существует, значит, теория фундаментально неполна или ошибочна.

Поскольку предсказания теории струн обширны и разнообразны, исследователи вместо этого задались вопросом, существует ли простой сценарий частиц, который теория струн просто не может описать.

Они сосредоточились на том, как теория струн работает с «семействами» частиц – группами родственных частиц, связанных вместе законами слабого ядерного взаимодействия, ответственного за радиоактивный распад. Обычно семейства частиц представляют собой небольшие пакеты, такие как электрон и его «брат» нейтрино, образующие аккуратный двухэлементный пакет, называемый дублетом. Теория струн довольно хорошо, без проблем, справляется с этими небольшими семействами частиц.

Однако Хекман и Хикс выявили семейство, которое явно отсутствует в каких-либо известных строковых вычислениях: пятичленный пакет частиц, или 5-плет. Хекман сравнивает это с попыткой заказать воппер в «Макдоналдсе»: «Как бы вы ни искали в меню, оно так и не материализуется».

«Мы перебрали все имеющиеся у нас инструменты, но этот комплект из пяти человек так и не появился», — говорит Хекман.

Но что же именно представляет собой этот неуловимый 5-плет?

Хикс объясняет это как расширенную версию дублета: «5-плет — это его увеличенный родственник, объединяющий пять связанных частиц».

Физики описывают это семейство частиц краткой математической формулой, известной как лагранжиан, – по сути, кулинарной книгой физики частиц. Сама частица называется майорановским фермионом, что означает, что она действует как сама себе античастица, подобно монете с орлом на обеих сторонах.

Обнаружение такой частицы напрямую противоречило бы тому, что предсказывают современные модели теории струн, что делает обнаружение этого конкретного семейства частиц на LHC испытанием с высокими ставками, которое потенциально может разрушить теорию струн.

Почему 5-плет не был обнаружен и подсказка об исчезающем следе

Хикс называет два основных препятствия для обнаружения этих 5-плетных структур: «производство и тонкость».

В коллайдере энергия может буквально превращаться в массу; формула Эйнштейна E = mc² говорит о том, что достаточная кинетическая энергия (E) может быть преобразована в массу (m) совершенно новых частиц, поэтому чем тяжелее добыча, тем реже событие творения.

«БАК должен сталкивать протоны достаточно сильно, чтобы создать эти огромные частицы из чистой энергии», — объясняет Хикс, ссылаясь на формулу Эйнштейна E = mc², которая напрямую связывает энергию (E) с массой (m). «По мере того, как массы этих частиц приближаются к триллиону электрон-вольт, вероятность их рождения резко падает».

Даже если они рождены, их обнаружение затруднено. Заряженные частицы в 5-плете очень быстро распадаются, превращаясь в почти невидимые продукты.

«Более тяжёлые состояния распадаются на мягкий пион и невидимую нейтральную частицу, ноль (X0), — говорит Хикс. — Энергия пиона настолько мала, что он практически невидим, а X0 проходит насквозь. В результате получается след, который исчезает прямо в середине детектора, подобно следам на снегу, которые внезапно обрываются».

Эти характерные треки регистрируются камерами ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) и CMS (Compact Muon Solenoid) БАК – «цифровыми камерами» размером с дом, расположенными вокруг центра столкновения. Они расположены в противоположных точках столкновения и работают независимо, предоставляя физическому сообществу два взгляда на каждое крупное открытие. Физики из Пенсильванского университета, такие как Хикс, входят в коллаборацию ATLAS, помогая проводить поиски необычных сигналов, таких как исчезающие треки.

Почему 5-плет важен для темной материи

Хикс говорит, что обнаружение 5-плета важно не только для проверки теории струн, указывая на еще одну захватывающую возможность: «Нейтральный член 5-плета мог бы объяснить темную материю — таинственную массу, составляющую большую часть материи нашей Вселенной».

Темная материя составляет примерно 85% всей материи во Вселенной, но ученые до сих пор не знают, что именно она собой представляет.

«Если 5-плет весит около 10 ТэВ — около 10 000 масс протона — он идеально соответствует теориям образования тёмной материи после Большого взрыва», — говорит Хикс. «Даже более лёгкие 5-плеты могут играть роль в более широком контексте тёмной материи».

«Если мы обнаружим 5-плет, это будет двойной выигрыш», — говорит Хикс. «Мы бы опровергли ключевые предсказания теории струн и одновременно открыли бы новые подсказки о тёмной материи».

Что LHC уже исключил

Используя имеющиеся данные ATLAS, полученные в ходе экспериментов с коллайдером, команда специально искала сигналы 5-плетов. «Мы переосмыслили поиск, изначально разработанный для „чарджино“ — гипотетических заряженных частиц, предсказываемых суперсимметрией, — и искали сигнатуры 5-плетов», — рассказывает Хикс о поиске, проделанном командой с использованием перепрофилированных данных ATLAS по исчезающим трекам. «Мы пока не нашли никаких доказательств, а это значит, что любая частица 5-плетов должна весить не менее 650–700 ГэВ, что в пять раз тяжелее бозона Хиггса».

Для контекста, говорит Хекман, «этот предварительный результат уже является весомым заявлением; он означает, что более лёгких 5-плетов не существует. Но более тяжёлые всё ещё вовсю обсуждаются».

Будущие исследования с использованием усовершенствованных экспериментов на LHC обещают ещё более точные результаты. «Мы не желаем провала теории струн», — говорит Хикс. «Мы подвергаем её стресс-тестированию, увеличивая давление, чтобы проверить, выдержит ли она».

«Если теория струн выживет, это будет фантастикой», — говорит Хекман. «Если же она рухнет, мы узнаем нечто важное о природе».

Новости партнеров: