Физики нашли способ проверить струнную теорию на прочность

Ученые ищут уникальную структуру, обнаружение которой может не только опровергнуть струнную теорию, но и пролить свет на темную материю.

Большой адронный коллайдер (LHC) – место поиска новых частиц

Источник: СERN

Физики из Университета Пенсильвании и Университета штата Аризона (США) опубликовали исследование, в котором предложили способ проверки одной из фундаментальных физических теорий. Как сообщает издание Penn Today, эксперимент на Большом адронном коллайдере (БАК) способен опровергнуть ключевые предположения струнной теории.

Одним из недостатков теории струн является то, что она оперирует многомерной алгеброй и огромным количеством возможных вселенных, что делает ее чрезвычайно сложной для экспериментальной проверки.

Джонатан Хекман

профессор

Струнная теория пытается объединить квантовую механику (поведение элементарных частиц) и общую теорию относительности Эйнштейна (гравитацию). Эта теория считает, что все частицы — это крошечные вибрирующие струны, действующие в более чем четырех измерениях. Однако ее сложно проверить экспериментально, поскольку она проявляется лишь при очень высоких энергиях.

В результате столкновения двух протонов (p–p) может образоваться пара нестабильных частиц — χ⁺⁺ и χ⁻⁻. Эти частицы — часть гипотетического пятерного (5-plet) мультиплета, рассматриваемого в альтернативных моделях физики за пределами Стандартной модели. После рождения они начинают распадаться каскадом на более легкие заряженные и нейтральные частицы χ и π (пионы), пока не образуются нейтральные конечные состояния χ⁰. При этом каждый этап распада сопровождается выбросом пиона. На практике такое событие в детекторе может проявиться как исчезающая следовая линия с дополнительным выбросом пучка частиц, возникшего при столкновении.

Источник: Phys. Rev. Research

Исследователи решили действовать от обратного: найти такое состояние материи, существование которого струнная теория исключает. По их расчетам, таким состоянием стала пятичастичная структура (5-плет), состоящая из частиц, объединенных слабым ядерным взаимодействием. В привычных теориях такие комбинации встречаются редко, а в рамках струнной — вообще невозможны. Однако экспериментальное подтверждение требует колоссальной энергии.

Одним из признаков существования таких частиц являются «исчезающие» следы на детекторах коллайдера. Частицы из 5-плета быстро распадаются на почти невидимые частицы и оставляют следы, которые резко обрываются. Подобные следы уже пытаются обнаружить эксперименты ATLAS и CMS, проведенные на БАК.

Частица χ⁺ оставляет короткий трек из четырех точек (фиолетовые звезды) в пиксельном детекторе и распадается на слабоэнергетический пион π⁺ и невидимую χ⁰. Если распад происходит до слоя SCT, событие попадает в выборку для поиска исчезающих следов.

Источник: Phys. Rev. Research

Пятичастичная структура интересна ученым не только из-за возможности опровергнуть струнную теорию, сообщается в пресс-релизе Penn Today.

Нейтральная частица из этой структуры может оказаться темной материей, которая составляет примерно 85% материи Вселенной и до сих пор остается загадкой.

Ребекка Хикс

физик

Исследователи уже проверили существующие данные коллайдера, но пока не нашли нужного сигнала. Зато уточнили, где искать дальше. В будущем усиленные эксперименты на БАК позволят либо подтвердить существование этих частиц, либо окончательно исключить их.

Мы не стремимся опровергнуть струнную теорию любой ценой. Мы подвергаем ее строгой проверке.

Джонатан Хекман

профессор

Таким образом результаты дальнейших исследований на Большом адронном коллайдере могут оказать значительное влияние на современную физику, подтвердив или опровергнув одну из наиболее амбициозных теорий последних десятилетий.

Ранее мы рассказывали о новом ускорителе длиной 90 км, который может прийти на смену Большому адронному коллайдеру в 2040-х. Он поможет исследовать бозон Хиггса, протонные столкновения и откроет путь к новым технологиям.