В физике существуют две великие теории, которые плохо сочетаются друг с другом. Стандартная модель физики элементарных частиц описывает все известные фундаментальные частицы и три взаимодействия: электромагнитное, сильное ядерное и слабое ядерное. Между тем общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию и структуру пространства-времени.
Однако эти концепции фундаментально несовместимы во многих отношениях, говорит Джонатан Хекман, физик-теоретик из Университета Пенсильвании. Стандартная модель рассматривает взаимодействия как динамические поля частиц, в то время как общая теория относительности трактует 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 перевернули эту критику с ног на голову. Вместо того чтобы спрашивать, что предсказывает теория струн, авторы задаются вопросом, что она точно не может создать. Их ответ указывает на одну экзотическую частицу, которая могла бы появиться в Большом адронном коллайдере (БАК). Если такая частица появится, то, по словам Хекмана, «теория струн окажется в огромных неприятностях».
Физики десятилетиями искали единую теорию, которая могла бы примирить квантовую механику и, соответственно, поведение субатомных частиц с гравитацией — которая описывается как динамическая сила в общей теории относительности, но не до конца понятна в квантовом контексте, говорит Хекман.
Хорошим претендентом на объединение гравитации и квантовых явлений является теория струн, которая утверждает, что все частицы, включая гипотетическую частицу, представляющую гравитацию, являются крошечными вибрирующими струнами, и обещает единую основу, охватывающую все силы и материю.
«Но одним из недостатков теории струн является то, что она оперирует в многомерной математике и обширном «ландшафте» возможных вселенных, что делает её чрезвычайно сложной для экспериментальной проверки», — говорит Хекман, указывая на то, что теория струн требует более чем привычных четырёх измерений — x, y, z и времени — для математической согласованности.
«Большинство версий теории струн требуют в общей сложности 10 или 11 измерений пространства-времени, причём дополнительные измерения как бы «закручены» или складываются друг с другом до чрезвычайно малых масштабов», — говорит Хикс.
Чтобы усложнить ситуацию, характерное поведение теории струн становится очевидным только при огромных энергиях, «которые намного превышают те, с которыми мы обычно сталкиваемся или даже генерируем в современных коллайдерах», — говорит Хекман.
Хикс сравнивает это с увеличением масштаба при наблюдении за удалённым объектом: при повседневных, более низких энергиях струны выглядят как обычные точечные частицы, подобно тому как издалека верёвка может выглядеть как одна линия.
«Но когда вы увеличиваете энергию, вы начинаете видеть взаимодействия такими, какие они есть на самом деле — вибрирующие и сталкивающиеся струны», — объясняет она. «При более низких энергиях детали теряются, и мы снова видим знакомые частицы. Это похоже на то, как издалека вы не можете разглядеть отдельные волокна в верёвке. Вы просто видите одну гладкую линию».
Именно поэтому физики, ищущие признаки теории струн, должны разгонять свои коллайдеры — такие как БАК — до всё более высоких энергий, надеясь уловить фундаментальные струны, а не только их низкоэнергетические маскировки в виде обычных частиц.
Тестирование теории часто означает поиск предсказаний, подтверждающих её достоверность. Но более мощный тест, по словам Хекмана, — это поиск именно тех мест, где теория терпит неудачу. Если учёные обнаружат, что нечто, запрещённое теорией, на самом деле существует, теория окажется фундаментально неполной или ошибочной.
Поскольку предсказания теории струн обширны и разнообразны, исследователи вместо этого задались вопросом, существует ли простой сценарий частиц, который теория струн просто не может учесть. Они сосредоточились на том, как теория струн справляется с семейством частиц — группами связанных частиц, связанных правилами слабого ядерного взаимодействия, ответственного за радиоактивный распад.
Физики инкапсулируют эту частицу в краткой математической формуле, известной как лагранжиан, по сути, в «кулинарной книге» физики элементарных частиц. Сама частица называется фермионом Майораны, что означает, что она действует как собственная античастица, подобно монете, у которой орёл с обеих сторон.
Обнаружение такой частицы напрямую противоречило бы тому, что предсказывают современные модели теории струн, что делает обнаружение этой конкретной семьи частиц в БАК серьёзным испытанием, которое потенциально может опровергнуть теорию струн.