У CERN шукають спростування теорії струн

Фізики з Пенсильванського університету разом із колегами з Арізонського державного університету шукають «5-плет» — структуру з п’яти частинок, яка не передбачається теорією струн.

Її виявлення у Великому адронному колайдері (LHC) може порушити теоретичну цілісність струнної моделі. “Ми перебрали всі наші інструменти, але цей п’ятичленний пакет так і не з’явився”, — підкреслює Джонатан Гекман. Такий результат означав би фундаментальну проблему для теорії, що прагне об’єднати фізику елементарних частинок із гравітацією.

Теорія струн передбачає, що всі частинки є мікроскопічними вібруючими струнами, об’єднаними у єдину структуру природи. Проте вона має суттєвий недолік: оперує високовимірною математикою та складним «ландшафтом» можливих всесвітів. “Більшість версій теорії струн вимагають 10 або 11 просторово-часових вимірів”, пояснює Ребекка Хікс. Ці виміри «згорнуті» до надзвичайно малих масштабів, через що експериментально перевірити такі припущення вкрай складно.

Водночас Стандартна модель описує три сили (електромагнітну, сильну і слабку), але не враховує гравітацію. Загальна теорія відносності трактує її як геометрію простору-часу, що створює концептуальний розрив між моделями. “Гравітація не вписується в Стандартну модель фізики”, наголошує Гекман. Теорія струн намагається подолати цей розрив, проте відсутність експериментальних підтверджень залишається ключовою проблемою.

Автори дослідження вирішили не шукати те, що теорія струн обіцяє, а те, чого вона точно не передбачає. «5-плет» є саме таким прикладом. Зазвичай частинки об’єднуються у «дублети» — пари, добре описувані теорією струн. Але п’ятичленна структура не вписується у відомі варіанти моделі. “5-плет — це його надвеликий кузен, що об’єднує п’ять пов’язаних частинок”, уточнює Хікс. Ця екзотична структура могла б стати доказом меж застосовності струнної теорії.

Виявлення 5-плету у LHC дуже складне через дві проблеми: «виробництво і тонкість». Створення таких важких частинок вимагає колосальної енергії, що рідко досягається навіть у LHC. Навіть якщо їх утворити, вони швидко розпадаються на майже невидимі продукти. “Піон має настільки низьку енергію, що він практично невидимий, а X0 проходить наскрізь”, пояснює Хікс. Такий розпад залишає у детекторах лише зникаючий слід, подібний до раптово обірваних слідів на снігу.

Для пошуку таких слідів використовують детектори ATLAS і CMS, які фіксують найдрібніші ознаки нових частинок. Команда вже проаналізувала дані з попередніх запусків LHC, шукаючи «зникаючі» треки, але поки безуспішно. “Це означає, що будь-яка 5-плетна частинка повинна важити щонайменше 650-700 ГеВ”, уточнює Хікс. Це у кілька разів більше за масу бозона Гіггса, але все ще в межах досяжного для оновлених запусків LHC.

Важливо, що 5-плет може мати значення не лише для перевірки теорії струн. Його нейтральний компонент може виступати кандидатом у темну матерію, що складає близько 85% матерії Всесвіту. “Якщо ми виявляємо 5-плету, це подвійна перемога”, підсумовує Хікс. Такий результат спростував би ключові передбачення струнної теорії й одночасно дав би підказки для розгадки природи темної матерії.