• Исследователи из Пенсильванского университета и Университета штата Аризона точно определили одиночный пакет из пяти частиц (5-plet), который мог бы перевернуть теорию струн, обнаружив его на Большом адронном коллайдере.
• "Призрачные" следы, исчезающие в полете, могут быть тем самым неопровержимым доказательством, за которым гонятся физики.
• Ранние данные сужают окно поиска, но следующие запуски коллайдера могут подтвердить - или опровергнуть - это предположение.

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

Однако эти структуры во многих отношениях принципиально несовместимы, говорит Джонатан Хекман, физик-теоретик из Пенсильванского университета. 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 Хекман, Ребекка Хикс, аспирантка Пенсильванской школы искусств и наук, и их коллеги переворачивают эту критику с ног на голову. Вместо того чтобы спрашивать, что предсказывает теория струн, авторы спрашивают, чего она определенно не может создать. Их ответ указывает на единственную экзотическую частицу, которая могла бы появиться на Большом адронном коллайдере (БАК). Если эта частица появится, все здание теории струн окажется, по словам Хекмана, "в огромной беде".

Теория струн: хорошее, плохое, энергозатратное

В течение десятилетий физики искали единую теорию, которая могла бы согласовать квантовую механику и, как следствие, поведение субатомных частиц с гравитацией, которая описывается как динамическая сила в общей теории относительности, но не до конца понята в квантовом контексте, говорит Хекман. Хорошим претендентом на объединение гравитации и квантовых явлений является теория струн, которая утверждает, что все частицы, включая гипотетическую, 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 многомерной математикой и обширным "ландшафтом" возможных вселенных, что делает ее дьявольски трудной для экспериментальной проверки", - говорит Хекман, указывая на то, что теория струн требует большего, чем привычные четыре измерения - x, y, z и время - чтобы быть математически последовательным.

"Большинство версий теории струн требуют в общей сложности 10 или 11 пространственно-временных измерений, причем дополнительные измерения как бы "свернуты" или накладываются друг на друга в чрезвычайно малых масштабах", - говорит Хикс.

Что еще более усложняет ситуацию, характерные особенности поведения теории струн отчетливо проявляются только при огромных энергиях, "которые намного превосходят те, с которыми мы обычно сталкиваемся или даже генерируем в современных коллайдерах", - говорит Хекман.

Хикс сравнивает это с увеличением отдаленного 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 повышаете уровень энергии, вы начинаете видеть взаимодействия такими, какие они есть на самом деле - струны вибрируют и сталкиваются", - объясняет она. "При более низких энергиях детали теряются, и мы просто снова видим знакомые частицы. Это похоже на то, как издалека вы не можете разглядеть отдельные волокна в веревке. Вы просто видите единственную плавную линию".

Вот почему физики, ищущие признаки теории струн, должны доводить свои коллайдеры, такие как БАК, до все более высоких энергий, надеясь уловить проблески фундаментальных струн, а не просто их маскировку под обычные частицы с более низкой энергией.

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

Проверка теории часто означает поиск предсказаний, подтверждающих ее достоверность. Но более мощный тест, по словам Хекмана, заключается в том, чтобы точно определить, где теория терпит неудачу. Если ученые обнаруживают, что что-то, запрещаемое теорией, на самом деле существует, значит, теория в корне неполна или ошибочна. Поскольку предсказания теории струн обширны и разнообразны, исследователи вместо этого спросили, существует ли простой сценарий с частицами, который теория струн просто не может учесть.

Они сосредоточились на том, как теория струн имеет дело с "семействами" частиц, группами родственных частиц, связанных вместе по правилам слабого ядерного взаимодействия, ответственного за радиоактивный распад. Как правило, семейства частиц представляют собой небольшие пакеты, такие как электрон и его родственник нейтрино, которые образуют аккуратный пакет из двух элементов, называемый дублетом. Теория струн справляется с этими скромными семействами частиц довольно хорошо, без проблем.

Однако Хекман и Хикс определили семейство, которое явно отсутствует ни в одном известном вычислении на основе строк: пакет частиц из пяти элементов, или 5-plet. Хекман сравнивает это с попыткой заказать потрясающее блюдо в McDonald's: "Независимо от того, насколько творчески вы просматриваете меню, оно никогда не материализуется".

"Мы просмотрели все имеющиеся у нас инструменты, и этот пакет из пяти элементов просто так и не появился", - говорит Хекман. Но что именно представляет собой этот неуловимый 5-элемент?

Хикс объясняет это как расширенную версию дублета: "5-plet - это его двоюродный брат большего размера, упаковывающий пять связанных частиц вместе". Физики заключают это семейство частиц в краткую математическую формулу, известную как лагранжиан, по сути, кулинарную книгу по физике элементарных частиц. Сама частица называется майорановским фермионом, что означает, что она действует как своя собственная античастица, подобно монете, у которой есть головы с обеих сторон. Идентификация такой частицы прямо противоречила бы тому, что предсказывают современные модели теории струн, что делает обнаружение этого конкретного семейства частиц на БАК тестом с высокими ставками, который потенциально может опровергнуть теорию струн.

Почему не был обнаружен 5-й элемент и ключ к исчезновению следа

Хикс ссылается на два основных препятствия для выявления этих 5-плеточных структур: "производство и тонкость". В коллайдере энергия может буквально превращаться в массу; E = mc2 Эйнштейна говорит о том, что достаточное количество кинетической энергии (E) может быть преобразовано в массу (m) совершенно новых частиц, поэтому, чем тяжелее добыча, тем реже событие творения.

"БАК должен сталкивать протоны достаточно сильно, чтобы создать эти мощные частицы 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 электрон-вольт, вероятность их создания резко падает".

Даже если они произведены, обнаружение является сложной задачей. Заряженные частицы в 5-плете очень быстро распадаются на почти невидимые продукты. "Более тяжелые состояния распадаются на мягкий пион и невидимую нейтральную частицу ноль (X0)", - говорит Хикс. "Пион настолько низкоэнергетичен, что практически невидим, и X0 проходит прямо сквозь него. В результате получается след, который исчезает на середине детектора, как следы на снегу, внезапно обрывающиеся".

Эти характерные следы улавливаются ATLAS (сокращение от тороидального аппарата LHC) и CMS (компактный мюонный соленоид), "цифровыми камерами" размером с дом, установленными вокруг центра столкновения. Они находятся в противоположных точках столкновения и действуют независимо, предоставляя физическому сообществу две пары взглядов на каждое крупное открытие. Физики из Пенсильванского университета, такие как Хикс, являются частью сотрудничества ATLAS, помогая выполнять поиск необычных сигналов, таких как исчезающие следы.

Почему 5-плеточный элемент имеет значение для темной материи

Хикс говорит, что обнаружение 5-plet важно не только для проверки теории струн, указывая на другую захватывающую возможность: "Нейтральный элемент 5-plet мог бы объяснить темную материю, таинственную массу, формирующую большую часть материи нашей Вселенной".

Темная материя составляет примерно 85 процентов всей материи во Вселенной, однако ученые до сих пор не знают, что именно это такое. "Если 5-элементарная частица весит около 10 ТэВ - около 10 000 масс протона - это точно соответствует теориям о формировании темной материи после Большого взрыва", - говорит Хикс. "Даже более легкие 5-планеты все еще могут играть определенную роль как часть более широкого ландшафта темной материи".

"Если мы обнаружим 5-плет, это двойная победа", - говорит Хикс. "Мы бы опровергли ключевые предсказания теории струн и одновременно открыли новые ключи к разгадке темной материи".

То, что БАК уже исключил

Используя существующие данные ATLAS, полученные в результате запусков коллайдера, команда специально искала сигналы из 5-плеток."Мы переосмыслили поисковые запросы, первоначально предназначенные для "чарджино" - гипотетических заряженных частиц, предсказанных суперсимметрией, - и искали сигнатуры из 5 плеток", - говорит Хикс о поиске команды с помощью переработанных данных об исчезающих следах ATLAS. "Мы пока не нашли никаких доказательств, а это означает, что любая пятиплетная частица должна весить не менее 650-700 ГэВ, что в пять раз тяжелее бозона Хиггса".

Для контекста Хекман говорит: "Этот ранний результат уже является сильным утверждением; это означает, что более легких 5-плеток не существует. Но более тяжелые по-прежнему в большом почете".

Будущие исследования с модернизированными экспериментами на БАК обещают еще более точные тесты. "Мы не выступаем за то, чтобы теория струн потерпела неудачу", - говорит Хикс. "Мы проводим стресс-тестирование, оказывая большее давление, чтобы посмотреть, выдержит ли оно".

"Если теория струн выживет, это будет фантастика", - говорит Хекман. "Если это сработает, мы узнаем что-то глубокое о природе".

Джонатан Хекман - профессор факультета физики и астрономии Школы искусств и наук, со вторичной должностью на факультете математики.

Ребекка Хикс - аспирантка факультета физики и астрономии Пенсильванского университета искусств и наук.

Среди других авторов - Мэтью Баумгарт и Панайотис Кристеас из Университета штата Аризона.

Эта работа получила поддержку Министерства энергетики (награды DE-SC0019470 и DE-SC0013528), Американо-Израильского двустороннего научного фонда (грант № 2022100) и Национального научного фонда.