Может ли Большой адронный коллайдер сломать теорию струн?
Американские ученые предложили эксперимент, который может лишить теорию струн статуса главного кандидата на роль теории всего — то есть физико-математической модели, которая может объяснить все известные фундаментальные типы взаимодействия элементарных частиц и составленных из них тел. Исследователи из Пенсильванского университета и Университета штата Аризона утверждают, что если в Большом адронном коллайдере появится набор из пяти частиц, вся теория окажется под угрозой. Проверить гипотезу можно уже в ближайшие годы. На кону не только судьба одной теории, но и понимание природы темной материи.
Что не так с современной физикой
Нынешняя физика основана на двух столпах: Стандартной модели и Общей теории относительности. Первая описывает все известные частицы и три из четырех фундаментальных сил природы — электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие. Вторая отвечает за описание четвертой силы — гравитации как искривления пространства и времени. Но эти теории не согласуются между собой. Гравитация, например, не вписывается в математический аппарат Стандартной модели.
Чтобы объединить все в единую картину мира, ученые уже десятилетиями разрабатывают теорию струн. Она предлагает радикальное решение: все частицы — это не точки, а крошечные вибрирующие струны. Их колебания создают разнообразие наблюдаемых свойств. При этом теория требует, чтобы мир имел не четыре измерения (три пространственных и одно временное), а десять или одиннадцать. Остальные измерения якобы «свернуты» в микроскопические структуры, поэтому люди их не замечают.
Главная проблема теории струн — ее недоказуемость
Как объясняет профессор Джонатан Хекман, один из авторов нового исследования, теория струн слишком гибкая. Она допускает существование огромного множества вселенных, и предсказать что-то конкретное на ее основе сложно. К тому же, ключевые особенности струн проявляются только при колоссальных энергиях, намного превышающих возможности даже таких установок, как Большой адронный коллайдер (БАК).
Аспирантка Ребекка Хикс сравнивает это с канатом: издалека он выглядит как ровная линия, но при сильном увеличении становятся видны отдельные волокна. Так и со струнами — при низких энергиях мы видим привычные частицы, но если энергию поднять, можно было бы разглядеть струны. Однако для этого пока не хватает технологий.
Как опровергнуть теорию струн с помощью одного набора частиц
Хекман и Хикс решили пойти от обратного. Вместо того, чтобы спрашивать, что теория предсказывает, они поинтересовались, что она категорически не допускает. Ответ оказался неожиданным: это существование пенталета — пятерки связанных между собой частиц, объединенных слабым взаимодействием.
Обычно такие семейства состоят из двух частиц (например, электрон и нейтрино), и теория струн справляется с их объяснением. Но пенталет — это расширенная версия такого семейства. Несмотря на все попытки, ученые не нашли в теории струн ни одного механизма, который допускал бы существование набора из пяти частиц. Он не укладывается ни в одну из математических моделей.
При этом сами частицы внутри пенталета могут быть очень интересными. Одна из них — это майорановский фермион, то есть частица, которая является своей собственной античастицей. Это как монета с двумя лицевыми сторонами — в просторечии их называют «орлами».
Почему этот набор частиц сложно поймать
Есть две основные проблемы: такой набор трудно произвести и еще труднее заметить. Чтобы создать его в ускорителе, нужно разогнать протоны до очень высоких энергий — примерно до 10 триллионов электрон-вольт (10 ТеВ). Это в 10 тысяч раз больше массы протона.
Даже если пенталет и образуется, он очень быстро распадается. Более тяжелые частицы из этого набора превращаются в малозаметную пи-мезон и нейтральную частицу, которая ускользает без следа. В результате трек частицы в детекторе просто обрывается — как будто шаги человека на свежем снегу внезапно исчезают. Тем не менее такие пропавшие следы могут зафиксировать огромные детекторы ATLAS и CMS в БАКе. Именно их данные и анализируют участники проекта.
Зачем все это нужно
Если физики найдут пенталет, теория струн будет опровергнута. Но это еще не все. Как подчеркивает Хикс, нейтральный участник пятерки — потенциальный кандидат на роль частицы темной материи. Сегодня ученые знают, что темной материи во Вселенной в пять раз больше, чем обычной. Но никто пока не знает, из чего она состоит.
Если масса пенталета составит около 10 ТеВ, это отлично вписывается в сценарии, объясняющие происхождение темной материи после Большого взрыва. Даже если масса окажется меньше, частицы все равно могут входить в состав этой загадочной материи.
Таким образом, обнаружение пенталета может сразу решить две важнейшие задачи физики — опровергнуть теорию струн и раскрыть природу темной материи.
Что уже сделано
Уже сейчас команда Хикс и Хекмана использует старые данные БАКа, где в свое время искали другие частицы — чарджино из теории суперсимметрии. Ученые пересмотрели эти данные в поиске признаков пенталета, но пока не нашли ничего.
Это означает, что если пенталет и существует, его масса должна быть как минимум 650–700 ГеВ, то есть примерно в пять раз больше массы бозона Хиггса. Более легкие варианты можно исключить.
Что дальше
Новые эксперименты на БАКе в ближайшие годы позволят продолжить поиски. Хикс подчеркивает, что их цель — не опровергнуть теорию струн ради спора, а проверить, выдержит ли она серьезную проверку. А Хекман добавляет, что независимо от результата ученые все равно узнают нечто важное о природе реальности.
Самое популярное
