|
БАК может опровергнуть теорию струн
|
|
|
|
В физике есть два великих столпа мысли, которые не совсем согласуются 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 концепции во многом принципиально несовместимы, говорит Джонатан Хекман, физик-теоретик из Пенсильванского университета. Стандартная модель рассматривает взаимодействия как динамические поля частиц, в то время как общая теория относительности рассматривает гравитацию как гладкую геометрию пространства-времени, поэтому гравитация "не вписывается в стандартную физическую модель", - объясняет он.
|
|
|
|
В недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Research, 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 задаются вопросом о том, что она определенно не может создать. Их ответ указывает на единственную экзотическую частицу, которая может появиться на Большом адронном коллайдере (БАК). Если такая частица появится, вся теория струн, по словам Хекмана, окажется "в огромной беде".
|
|
|
|
|
|
|
Теория струн: хорошая, плохая, энергозатратная.
|
|
|
|
В течение десятилетий физики искали единую теорию, которая могла бы примирить 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 кандидатом 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 взаимодействия 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 — быть математически последовательным.
|
|
|
|
"Большинство версий теории струн требуют в общей сложности 10 или 11 пространственно-временных измерений, при этом дополнительные измерения как бы "свернуты" или накладываются друг на друга в чрезвычайно малых масштабах", - говорит Хикс.
|
|
|
|
Что еще более усложняет ситуацию, отличительные особенности теории струн отчетливо проявляются только при огромных энергиях, "которые намного превосходят те, с которыми мы обычно сталкиваемся или даже генерируем на современных коллайдерах", - говорит Хекман.
|
|
|
|
Хикс сравнивает это с увеличением удаленного объекта: при обычных, более низких энергиях струны выглядят как обычные точечные частицы, точно так же, как удаленная веревка может показаться одной линией.
|
|
|
|
"Но когда вы увеличиваете энергию, 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 снова видим просто знакомые частицы. Это похоже на то, как издалека вы не можете разглядеть отдельные волокна в веревке. Вы видите только одну гладкую линию."
|
|
|
|
Вот почему физики, ищущие подтверждения 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 эффективный тест, по словам Хекмана, заключается в том, чтобы точно определить, где теория терпит неудачу. Если ученые обнаруживают, что что-то, что теория запрещает, на самом деле существует, значит, теория в корне неполна или ошибочна.
|
|
|
|
Поскольку предсказания теории струн обширны и разнообразны, исследователи вместо этого задались вопросом, существует ли сценарий с простыми частицами, который теория струн просто не может учесть.
|
|
|
|
Они сосредоточились на том, как теория струн имеет дело с "семействами" частиц, группами связанных частиц, связанных друг с другом правилами 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 довольно хорошо справляется с этими скромными семействами частиц, без каких-либо проблем.
|
|
|
|
Однако Хекман и Хикс выявили семейство, которое явно отсутствует ни в одном известном расчете на основе струн: набор частиц из пяти элементов, или 5-plet. Хекман сравнивает это с попыткой заказать вкусное блюдо в McDonald's: "Независимо от того, насколько творчески вы подходите к меню, оно никогда не материализуется".
|
|
|
|
"Мы просмотрели все имеющиеся у нас инструменты, но этот набор из пяти элементов так и не появился", - говорит Хекман.
|
|
Но что же это за неуловимый набор из 5 элементов?
|
|
|
|
Хикс объясняет это как расширенную версию дуплета: "5-plet - это его двоюродный брат большего размера, который объединяет пять связанных частиц".
|
|
|
|
Физики описывают это семейство частиц в виде краткой математической формулы, известной как лагранжиан, - по сути, это кулинарная книга по физике элементарных частиц. Сама частица называется майорановским фермионом, что означает, что она действует как собственная античастица, подобно монете, у которой две стороны обращены вверх.
|
|
|
|
Идентификация такой частицы прямо противоречила бы тому, что предсказывают современные модели теории струн, что делает обнаружение этого специфического семейства частиц на БАКЕ испытанием с высокими ставками, которое потенциально может опровергнуть теорию струн.
|
|
Почему до сих пор не был обнаружен 5-планетный элемент и ключ к разгадке исчезающего следа
|
|
|
|
Хикс называет два основных препятствия для выявления этих структур из 5 элементов: "производство и тонкость".
|
|
|
|
В коллайдере энергия может в буквальном смысле превращаться в массу; эйнштейновское значение E = mc2 говорит о том, что достаточное количество кинетической энергии (E) может быть преобразовано в массу (m) совершенно новых частиц, поэтому, чем тяжелее добыча, тем реже происходит рождение.
|
|
|
|
"БАК должен достаточно сильно сталкивать протоны, 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 образования резко падает".
|
|
|
|
Даже если они образуются, их обнаружение является сложной задачей. Заряженные частицы в 5-plet очень быстро распадаются на почти невидимые продукты.
|
|
|
|
"Более тяжелые состояния распадаются на мягкий пион и невидимую нейтральную частицу ноль (X0)", - говорит Хикс. "Пион обладает настолько низкой энергией, что практически невидим, и X0 проходит сквозь него. В результате получается след, который исчезает на середине детектора, как следы на снегу, внезапно обрывающиеся".
|
|
|
|
Эти характерные следы фиксируются приборами LHC ATLAS (сокращение от тороидального устройства LHC) и CMS (компактный мюонный соленоид), "цифровыми камерами" размером с дом, установленными вокруг центра столкновения. Они расположены в противоположных точках столкновения и работают независимо, позволяя физическому сообществу по-разному оценивать каждое крупное открытие. Физики из Пенсильванского университета, такие как Хикс, участвуют в сотрудничестве ATLAS, помогая в поиске необычных сигналов, таких как исчезающие следы.
|
|
|
|
Почему 5-плет имеет значение для темной материи
|
|
|
|
Хикс говорит, что обнаружение 5-plet важно не только для проверки теории струн, указывая на еще одну захватывающую возможность: "Нейтральный элемент 5-plet может объяснить темную материю, таинственную массу, из которой состоит большая часть вещества нашей Вселенной".
|
|
|
|
Темная материя составляет примерно 85% всей материи во Вселенной, но ученые до сих пор не знают, что именно это такое.
|
|
|
|
"Если масса 5-плета составляет 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-плеты могут по-прежнему играть роль в более широком спектре темной материи".
|
|
|
|
"Если мы обнаружим 5-плет, это будет двойная победа", - говорит Хикс. "Мы бы опровергли ключевые предсказания теории струн и одновременно открыли новые ключи к пониманию темной материи".
|
|
То, что БАК уже исключил
|
|
|
|
Используя существующие данные ATLAS, полученные в ходе экспериментов на коллайдере, команда специально искала сигналы с 5 plet. "Мы переосмыслили поиск, первоначально разработанный для поиска "чарджино" — гипотетических заряженных частиц, предсказанных с помощью суперсимметрии, — и искали сигнатуры из 5 плеток", - говорит Хикс о поиске команды с помощью перепрофилированных данных об исчезающих следах в 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".
|
|
|
|
Что касается контекста, Хекман говорит: "Этот ранний результат уже является убедительным утверждением; он означает, что более легких 5-планетных систем не существует. Но более тяжелые по-прежнему находятся на рассмотрении".
|
|
|
|
Будущие исследования в рамках усовершенствованных экспериментов на БАК обещают еще более точные тесты. "Мы не боремся за то, чтобы теория струн потерпела неудачу", - говорит Хикс. "Мы проводим стресс-тестирование, оказывая на нее большее давление, чтобы посмотреть, выдержит ли она испытание".
|
|
|
|
"Если теория струн выживет, это будет здорово", - говорит Хекман. "Если это произойдет, мы узнаем что-то важное о природе".
|
|
|
|
Источник
|
