В физике существуют две великие теории, которые не совсем 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, как утверждает Джонатан Хекман, физик-теоретик из Пенсильванского университета. 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 переворачивают 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, вся конструкция теории струн, по словам Хекмана, «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 которая обещает единую структуру, 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 в чрезвычайно малых масштабах», — говорит Хикс.
Чтобы усложнить ситуацию, отличительные особенности теории струн ясно проявляются только при огромных энергиях, «которые намного превышают те, с которыми мы обычно сталкиваемся или даже которые мы генерируем в современных коллайдерах», — говорит Хекман.
Хикс сравнивает это с приближением к удалённому объекту: при повседневных, более низких энергиях струны выглядят как обычные точечные частицы, подобно тому как отдалённая верёвка может казаться единой линией.
«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 единую гладкую линию».
Именно поэтому физики, ищущие признаки теории струн, должны подталкивать свои коллайдеры — такие как БАК — к всё более высоким энергиям, надеясь уловить проблески фундаментальных струн, а не только их маскировку в виде обычных частиц при более низких энергиях.
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 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 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 поваренной 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 разрушить теорию струн.
Хикс называет два основных препятствия для обнаружения этих структур из пяти частиц: «производство и сложность». В коллайдере энергия буквально может превратиться в массу; уравнение Эйнштейна E = mc² говорит, что достаточно кинетической энергии (E) может быть преобразовано в массу (m) совершенно новых частиц, так что чем тяжелее добыча, тем реже событие создания.
«БАК должен сталкивать протоны достаточно сильно, чтобы вызвать появление этих тяжёлых частиц из чистой энергии», — объясняет Хикс, ссылаясь на уравнение Эйнштейна E = mc², которое напрямую связывает энергию (E) с массой (m). «По мере того как массы этих частиц приближаются к триллиону электронвольт, вероятность их создания резко падает».
Даже если они будут созданы, обнаружение будет сложной задачей. Заряженные частицы в семействе из пяти частиц быстро распадаются на почти невидимые продукты.
«Более тяжёлые состояния распадаются на мягкий пион и невидимую нейтральную частицу, обозначаемую как X0», — говорит Хикс. «Пион имеет настолько низкую энергию, что он практически невидим, а X0 проходит прямо через детектор. В результате получается след, который исчезает в середине детектора, как следы в снегу, внезапно останавливающиеся».
Эти сигнатурные следы улавливаются цифровыми камерами ATLAS и CMS, которые являются частью БАК. Они сидят в противоположных точках столкновения и работают независимо, предоставляя физическому сообществу два набора глаз на каждое крупное открытие. Физики из Пенна, такие как Хикс, являются частью коллаборации ATLAS, помогая проводить поиски, которые ищут необычные сигналы, такие как исчезающие следы.
Хикс говорит, что обнаружение семейства из пяти частиц важно не только для проверки теории струн, но и указывает на другую захватывающую возможность: «Нейтральный член семейства из пяти частиц может объяснить тёмную материю, загадочную массу, формирующую большую часть материи нашей Вселенной».
Тёмная материя составляет примерно 85% всей материи во Вселенной, но учёные до сих пор не знают, что это такое.
«Если семейство из пяти частиц весит около 10 ТэВ — около 10 000 масс протона — оно аккуратно вписывается в теории об образовании тёмной материи после Большого взрыва», — говорит Хикс. «Даже более лёгкие семейства из пяти частиц всё ещё могут играть роль в более широком ландшафте тёмной материи».
«Если мы обнаружим семейство из пяти частиц, это будет двойная победа», — говорит Хикс. «Мы бы опровергли ключевые предсказания теории струн и одновременно раскрыли новые ключи к разгадке тёмной материи».
Используя существующие данные ATLAS, полученные в результате работы коллайдера, команда искала сигналы, специфичные для семейства из пяти частиц. «Мы переосмыслили поиски, изначально предназначенные для «чаргино» — гипотетических заряженных частиц, предсказанных суперсимметрией — и искали сигнатуры семейства из пяти частиц», — говорит Хикс о поиске команды в перепрофилированных данных ATLAS о исчезающих следах. «Пока мы не нашли никаких доказательств, что означает, что любая частица семейства из пяти частиц должна весить не менее 650–700 ГэВ, в пять раз тяжелее бозона Хиггса».
Для контекста Хекман говорит: «Этот ранний результат уже является сильным заявлением; это означает, что более лёгкие семейства из пяти частиц не существуют. Но более тяжёлые всё ещё вполне возможны».
Будущие поиски с модернизированными экспериментами на БАК обещают ещё более точные тесты. «Мы не хотим, чтобы теория струн потерпела неудачу», — говорит Хикс. «Мы проводим стресс-тестирование, применяя большее давление, чтобы увидеть, выдержит ли она».
«Если теория струн выживет, это будет здорово, — говорит Хекман. — Если она разрушится, мы узнаем что-то глубокое о природе».
theoretical physicist at the University of Pennsylvania. The Standard Model treats forces as dynamic fields of particles, while general relativity treats gravity as the smooth geometry of spacetime, so gravity \”doesn’t fit into physics’s Standard Model,\” he explains.”,”In a recent paper in Physical Review Research, Heckman, Rebecca Hicks, a Ph.D. student at Penn’s School of Arts & Sciences, and their collaborators turn that critique on its head. Instead of asking what string theory predicts, the authors ask what it definitively cannot create. Their answer points to a single exotic particle that could show up at the Large Hadron Collider (LHC). If that particle appears, the entire string-theory edifice would be, in Heckman’s words, \”in enormous trouble.\””,”For decades, physicists have sought a unified theory that can reconcile quantum mechanics, and by extension, the behavior of subatomic particles, with gravity—which is described as a dynamic force in general relativity but is not fully understood within quantum contexts, Heckman says.”,”A good contender for marrying gravity and quantum phenomena is string theory, which posits that all particles, including a hypothetical one representing gravity, are tiny vibrating strings and which promises a single framework encompassing all forces and matter.”,”\”But one of the drawbacks of string theory is that it operates in high-dimensional math and a vast ‘landscape’ of possible universes, making it fiendishly difficult to test experimentally,\” Heckman says, pointing to how string theory necessitates more than the familiar four dimensions— x, y, z, and time—to be mathematically consistent.”,”\”Most versions of string theory require a total of 10 or 11 spacetime dimensions, with the extra dimensions being sort of ‘curled up’ or folding in on one another to extremely small scales,\” Hicks says.”,”To make matters even trickier, string theory’s distinctive behaviors only clearly reveal themselves at enormous energies, \”those far beyond what we typically encounter or even generate in current colliders,\” Heckman says.”,”Hicks likens it to zooming in on a distant object: At everyday, lower energies, strings look like regular point-like particles, just as a faraway rope might appear to be a single line.”,”\”But when you crank the energy way up, you start seeing the interactions as they truly are—strings vibrating and colliding,\” she explains. \”At lower energies, the details get lost, and we just see the familiar particles again. It’s like how from far away, you can’t make out the individual fibers in the rope. You just see a single, smooth line.\””,”That’s why physicists hunting for signatures of string theory must push their colliders—like the LHC—to ever-higher energies, hoping to catch glimpses of fundamental strings rather than just their lower-energy disguises as ordinary particles.”,”Testing a theory often means searching for predictions that confirm its validity. But a more powerful test, Heckman says, is finding exactly where a theory fails. If scientists discover that something a theory forbids actually exists, the theory is fundamentally incomplete or flawed.”,”Because string theory’s predictions are vast and varied, the researchers instead asked if there’s a simple particle scenario that string theory just can’t accommodate.”,”They zeroed in on how string theory deals with particle \”families,\” groups of related particles bound together by the rules of the weak nuclear force, responsible for radioactive decay. Typically, particle families are small packages, like the electron and its neutrino sibling, that form a tidy two-member package called a doublet. String theory handles these modest particle families fairly well, without issue.”,”However, Heckman and Hicks identified a family that is conspicuously absent from any known string-based calculation: a five-member particle package, or a 5-plet. Heckman likens this to trying to order a Whopper meal from McDonald’s: \”No matter how creatively you search the menu, it never materializes.\””,”\”We scoured every toolbox we have, and this five-member package just never shows up,\” Heckman says.”,”Hicks explains it as an expanded version of the doublet: \”The 5-plet is its supersized cousin, packing five related particles together.\””,”Physicists encapsulate this particle family in a concise mathematical formula known as the Lagrangian, essentially the particle-physics cookbook. The particle itself is called a Majorana fermion, meaning it acts as its own antiparticle, akin to a coin that has heads on both sides.”,”Identifying such a particle would directly contradict what current string theory models predict is possible, making the detection of this specific particle family at the LHC a high-stakes test, one that could potentially snap string theory.”,”Hicks cites two major hurdles for spotting these 5-plet structures: \”production and subtlety.\””,”In a collider, energy can literally turn into mass; Einstein’s E = mc² says that enough kinetic oomph (E) can be converted into the heft (m) of brand-new particles, so the heavier the quarry the rarer the creation event.”,”\”The LHC has to slam protons together hard enough to conjure these hefty particles out of pure energy,\” Hicks explains, citing Einstein’s E = mc², which directly links energy (E) to mass (m). \”As the masses of these particles climb toward a trillion electron volts, the chance of creating them drops dramatically.\””,”Even if produced, detection is challenging. The charged particles in the 5-plet decay very quickly into nearly invisible products.”,”\”The heavier states decay into a soft pion and an invisible neutral particle, zero (X0),\” Hicks says. \”The pion is so low-energy it’s basically invisible, and X0 passes straight through. The result is a track that vanishes mid-detector, like footprints in snow suddenly stopping.\””,”Those signature tracks get picked up by LHC’s ATLAS (short for A Toroidal LHC ApparatuS) and CMS (Compact Muon Solenoid), house-sized \”digital cameras\” wrapped around the collision center. They sit at opposite collision points and operate independently, giving the physics community two sets of eyes on every big discovery. Penn physicists like Hicks are part of the ATLAS Collaboration, helping perform the searches that look for quirky signals like disappearing tracks.”,”Hicks says finding the 5-plet isn’t only important for testing string theory, pointing to another exciting possibility: \”The neutral member of the 5-plet could explain dark matter, the mysterious mass shaping up most of our universe’s matter.\””,”Dark matter constitutes roughly 85% of all matter in the universe, yet scientists still don’t know what exactly it is.”,”\”If the 5-plet weighs around 10 TeV—about 10,000 proton masses—it neatly fits theories about dark matter’s formation after the Big Bang,\” Hicks says. \”Even lighter 5-plets could still play a role as part of a broader dark matter landscape.\””,”\”If we detect a 5-plet, it’s a double win,\” says Hicks. \”We’d have disproven key predictions of string theory and simultaneously uncovered new clues about dark matter.\””,”Using existing ATLAS data from collider runs, the team searched specifically for 5-plet signals. \”We reinterpreted searches originally designed for ‘charginos’—hypothetical charged particles predicted by supersymmetry—and looked for 5-plet signatures,\” Hicks says of the team’s search through the repurposed ATLAS disappearing-track data. \”We have found no evidence yet, which means any 5-plet particle must weigh at least 650–700 GeV, five times heavier than the Higgs boson.\””,”For context, Heckman says, \”this early result is already a strong statement; it means lighter 5-plets don’t exist. But heavier ones are still very much on the table.\””,”Future searches with upgraded LHC experiments promise even sharper tests. \”We’re not rooting for string theory to fail,\” Hicks says. \”We’re stress-testing it, applying more pressure to see if it holds up.\””,”\”If string theory survives, fantastic,\” Heckman says. \”If it snaps, we’ll learn something profound about nature.\””,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tUniversity of Pennsylvania\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Quantum Physics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник