Теория струн под ударом: поиск загадочной частицы, которая может перевернуть физику

Современная физика стоит перед фундаментальным парадоксом: две ее величайшие теории — Стандартная модель и общая теория относительности — описывают Вселенную по-разному и никак не хотят объединяться. Стандартная модель блестяще объясняет три из четырех фундаментальных взаимодействий (электромагнетизм, сильное и слабое ядерные силы), но оставляет гравитацию за скобками. Общая теория относительности, в свою очередь, описывает гравитацию как искривление пространства-времени, но несовместима с квантовой механикой.

Теория струн долгое время считалась главным кандидатом на роль «теории всего», способной объединить эти подходы. Однако ее критики указывают на отсутствие экспериментальных подтверждений и математическую сложность. Но что, если проверка теории струн заключается не в поиске ее подтверждений, а в обнаружении того, что она категорически запрещает?

Физики Джонатан Хекман и Ребекка Хикс из Пенсильванского университета предложили радикальный способ проверки теории струн: найти частицу, которую она принципиально не может описать. Их исследование указывает на экзотический 5-плет майорановских фермионов — семейство из пяти связанных частиц, отсутствующее во всех известных вариантах теории струн. Если Большой адронный коллайдер (БАК) обнаружит такую частицу, это поставит теорию струн в крайне затруднительное положение.

Почему теория струн не любит пятерки?

Теория струн описывает элементарные частицы не как точечные объекты, а как крошечные вибрирующие струны. Для математической согласованности она требует дополнительных измерений (всего 10 или 11), которые «свернуты» до невероятно малых масштабов. При низких энергиях струны выглядят как обычные частицы, но при экстремальных энергиях (намного выше доступных даже на БАК) должны проявляться их истинные струнные свойства.

Ученые задались вопросом: есть ли что-то, что теория струн точно не может предсказать? Оказалось, что да — это семейство из пяти частиц (5-плет). В Стандартной модели известны дублеты (например, электрон и нейтрино), триплеты и другие мультиплеты, но 5-плеты в ней отсутствуют. Более того, в теории струн они тоже не возникают ни в каких вычислениях.

«Это как искать воппер в меню McDonald’s — его там просто нет», — образно поясняет Хекман. Если БАК обнаружит такой 5-плет, это будет означать, что теория струн неспособна описать реальность.

Как искать невидимую частицу?

Проблема в том, что даже если 5-плеты существуют, их крайне сложно зафиксировать. Во-первых, они должны быть очень массивными (вероятно, тяжелее 1 ТэВ), а значит, рождаться в коллайдере крайне редко. Во-вторых, их сигнатура почти неуловима: заряженные компоненты 5-плета быстро распадаются на пион (с очень низкой энергией) и нейтральную частицу, которая не оставляет следа в детекторе.

«Это похоже на следы на снегу, которые внезапно обрываются», — говорит Хикс. Детекторы ATLAS и CMS на БАК ищут именно такие «исчезающие треки», но пока безуспешно. Уже исключены 5-плеты с массами до 650–700 ГэВ, но более тяжелые варианты остаются возможными.

Интересно, что нейтральный компонент 5-плета может быть кандидатом на роль темной материи. Если его масса около 10 ТэВ, он идеально вписывается в космологические модели, объясняющие формирование темной материи после Большого взрыва.

«Обнаружение 5-плета стало бы двойным прорывом, — говорит Хикс. — Мы не только поставили бы теорию струн в тупик, но и получили бы ключ к разгадке темной материи».

Перспективы

Будущие запуски БАК на более высоких энергиях могут либо окончательно закрыть вопрос о существовании 5-плетов, либо — что гораздо интереснее — обнаружить их. В любом случае, это стресс-тест для теории струн.

«Мы не хотим, чтобы теория струн провалилась, — подчеркивает Хикс. — Но если она не выдержит проверки, это будет важным уроком о природе реальности».

Таким образом, физика стоит на пороге возможного переворота: либо теория струн подтвердит свою устойчивость, либо окажется, что Вселенная устроена еще загадочнее, чем мы думали.