Сломает ли Коллайдер теорию струн? Судьбу физики может решить одна «запретная» частица
В недрах земли на границе Швейцарии и Франции гигантский 27-километровый ускоритель частиц, Большой адронный коллайдер (БАК), занимается, казалось бы, простой задачей — сталкивает протоны на околосветовых скоростях. Но за этим скрывается нечто большее, чем просто создание экзотических частиц. Прямо сейчас там идёт охота. И объект этой охоты — не то, что учёные ожидают найти, а то, чего, согласно одной из самых амбициозных теорий в истории, существовать просто не должно.
Физики ищут частицу-призрака, «запретный плод» для теории струн. Если её обнаружат, всё величественное здание, которое строилось десятилетиями в попытке описать нашу Вселенную, может рухнуть. Это научный детектив с невероятно высокими ставками.
Почему одна частица может сломать целую теорию?
Чтобы понять всю остроту момента, нужно сменить оптику. Обычно мы думаем, что задача учёного — найти подтверждение своей теории. Но в фундаментальной науке куда более мощным инструментом является опровержение.
Это похоже на проверку утверждения «все лебеди белые». Можно всю жизнь искать белых лебедей и лишь укрепляться в своей правоте. А можно найти одного-единственного чёрного лебедя — и вся теория рухнет в один миг. Именно такой подход, предложенный философом Карлом Поппером, лежит в основе современной науки.
Физики Джонатан Хекман и Ребекка Хикс из Пенсильванского университета решили применить этот принцип к теории струн. Вместо того чтобы пробираться через бесконечный «ландшафт» её предсказаний, они задали другой вопрос: «А есть ли что-то, что теория струн категорически запрещает?» Оказалось, есть.
Теория всего на грани: в чём проблема?
Современная физика стоит на двух титанах, которые никак не могут договориться. На одном полюсе — Стандартная модель, невероятно успешное описание мира элементарных частиц и трёх из четырёх фундаментальных сил (электромагнитной, слабой и сильной). На другом — общая теория относительности Эйнштейна, наш лучший инструмент для понимания гравитации как искривления пространства-времени.
Проблема в том, что они говорят на разных языках. Стандартная модель видит мир квантовым, состоящим из дискретных частиц-переносчиков взаимодействий. Теория относительности описывает гравитацию как гладкое, непрерывное поле. Попытки «втиснуть» гравитацию в Стандартную модель проваливаются.
Теория струн — это самая известная и амбициозная попытка создать единый язык для всей физики. Её основная идея элегантна: всё в мире, от электрона до гипотетической частицы гравитации (гравитона), — это не точки, а крошечные, вибрирующие одномерные струны. Разные «ноты» вибрации этих струн мы и воспринимаем как разные частицы. Но у этой красоты есть цена:
- Многомерность: Чтобы математика сошлась, теории струн нужны не наши привычные четыре измерения (три пространственных + время), а целых 10 или 11. Лишние измерения, как предполагается, «свёрнуты» в микроскопические клубки, недоступные нашему восприятию.
- Энергия: Проявления «струнности» мира должны становиться заметны лишь при колоссальных энергиях, недостижимых для современных технологий. На наших «низких» энергиях струны выглядят как обычные точечные частицы.
Эти трудности делают теорию струн почти неуязвимой для прямой экспериментальной проверки, что давно разочаровывает научное сообщество. И вот здесь на сцену выходит «запретная» частица.
Знакомьтесь, квинтеплет: подозреваемый номер один
Учёные обнаружили, что теория струн, при всей своей гибкости, не способна породить один конкретный тип семейства частиц — так называемый квинтеплет.
Что это такое? Частицы в Стандартной модели часто объединяются в «семьи» по правилам слабого взаимодействия. Например, электрон и его нейтрино образуют пару, или дублет. Теория струн прекрасно справляется с такими компактными семьями. Но вот семейство из пяти связанных частиц (квинтеплет) в её математических конструкциях не появляется ни при каких условиях. Как объясняют сами исследователи, это всё равно что пытаться заказать «Воппер» в «Макдоналдсе» — такого блюда в меню просто нет.
Этот неуловимый квинтеплет — это не просто абстракция. Это конкретный тип майорановского фермиона (частицы, являющейся собственной античастицей) с определёнными свойствами. И его можно целенаправленно искать на Большом адронном коллайдере.
Двойная игра: тёмная материя и исчезающие следы
Интрига закручивается ещё сильнее. Оказывается, у квинтеплета есть потенциал решить другую величайшую загадку космологии — природу тёмной материи. Это таинственная субстанция, составляющая около 85% всей массы во Вселенной, которую мы видим лишь по её гравитационному влиянию.
Если квинтеплет существует и его масса составляет около 10 ТэВ (в 10 000 раз тяжелее протона), то нейтральный член этого семейства становится идеальным кандидатом на роль частицы тёмной материи. Его свойства идеально соответствуют тому, что предсказывают космологические модели.
Получается невероятная ситуация: обнаружение одной-единственной частицы может одновременно нанести сокрушительный удар по теории струн и пролить свет на тайну тёмной материи. Это был бы настоящий научный джекпот.
Но как поймать такого призрака? Его следы уникальны. Когда в коллайдере рождается квинтеплет, его заряженные члены почти мгновенно распадаются, порождая частицы с очень низкой энергией и одну нейтральную, невидимую частицу, которая пролетает сквозь детектор без следа. На экранах это выглядит как трек, который внезапно обрывается на полпути. Это похоже на детективную историю, где главная улика — это не присутствие чего-то, а его внезапное исчезновение.
Вердикт ещё не вынесен, но ставки растут
Команда Хекмана и Хикс уже проанализировала архивные данные с детектора ATLAS, переосмыслив результаты поисков других гипотетических частиц. Пока квинтеплет не найден. Но это не провал, а важный результат. Он означает, что если квинтеплет и существует, его масса должна быть не менее 700 ГэВ — то есть он как минимум в пять раз тяжелее знаменитого бозона Хиггса.
Поиски продолжаются. С каждым новым запуском БАК повышает энергию, а физики сужают круг поисков.
Это исследование — прекрасный пример того, как на самом деле работает наука. Речь не о слепой вере в одну теорию. Речь о беспощадной, но честной проверке и готовности отказаться от самой красивой идеи, если факты говорят против неё. Независимо от исхода, наука победит. Либо теория струн докажет свою стойкость перед лицом самого неудобного вопроса, либо физики поймут нечто совершенно новое и глубокое о том, как устроена наша Вселенная. Охота продолжается.