Физиците, които са се скитали по „пейзажа“на теорията на струните - пространство от милиарди и милиарди математически решения на теория, в която всяко решение предоставя уравненията, с които физиците се опитват да опишат реалността - се натъкнаха на подмножество от такива уравнения, които включват толкова частици материя, колкото има във нашата вселена. Въпреки това, този подмножество е огромен: има поне квадрилион такива решения. Това е най-голямата находка в историята на теорията на струните.
Вселената в теорията на струните
Според теорията на струните всички частици и основни сили се генерират чрез вибриране на миниатюрни струни. За математическа последователност тези струни вибрират в 10-измерено пространство. И за съответствие с обичайния ни ежедневен опит за съществуване във Вселената, с три пространствени и едно времеви измерения, допълнителните шест измерения са "уплътнени", така че да не могат да бъдат открити.
Различните уплътнения водят до различни решения. В теорията на струните „решение“се отнася до вакуума на космическото време, което се управлява от теорията за гравитацията на Айнщайн, съчетана с теорията на квантовото поле. Всяко решение описва уникална вселена със собствен набор от частици, основни сили и други определящи свойства.
Някои теоретици на струни са съсредоточили усилията си върху опитите да намерят начини да свържат теорията на струните със свойствата на познатата ни наблюдаема вселена - по-специално на Стандартния модел на физиката на частиците, който описва всички известни частици и сили, с изключение на гравитацията.
Голяма част от тези усилия идват от версия на теорията на струните, в която струните взаимодействат слабо. През последните двадесет години обаче нов клон на теорията на струните, наречен F-теория, позволява на физиците да работят със силно взаимодействащи - или плътно свързани - струни.
„Интересните резултати са, че когато връзката е голяма, можем да започнем да описваме теорията много геометрично“, казва Мириам Цветик от Университета на Пенсилвания във Филаделфия.
Промоционално видео:
Това означава, че теоретиците на струните могат да използват алгебраична геометрия - която използва алгебраични методи за решаване на геометрични задачи - за да анализират различни начини за уплътняване на допълнителни измерения във теорията на F и да намерят решения. Математиците независимо изучават някои от геометричните фигури, които се появяват във F-теорията. „Те ни предоставят на физиците богат набор от инструменти“, казва Линг Лин, също от Университета в Пенсилвания. „Геометрията всъщност е много важна, именно„ езикът “прави F-теорията мощна структура.“
Кадрили на вселените
И така Цветик, Лин, Джеймс Халверсън от Northeastern University в Бостън използваха тези методи, за да идентифицират клас решения с вибриращи струнни режими, които водят до същия спектър от фермиони (или материални частици), както е описано в Стандартния модел - включително свойството, поради което фермионите са от три поколения (например електрон, мюон и тау са три поколения от един и същ тип фермиони).
Откритите от Цветик и нейните колеги решения на F-теорията включват също частици, които проявяват хиралност (липса на симетрия на дясната и лявата страна) на Стандартния модел. В терминологията на физиката на частиците тези решения възпроизвеждат точния "хирален спектър" на частиците в Стандартния модел. Например, кварките и лептоните в тези решения имат лява и дясна версия, както в нашата вселена.
Новата работа показва, че има поне квадрилиона решения, в които частиците имат същия хирален спектър, както в Стандартния модел, с 10 порядъка повече решения, отколкото е открито в теорията на струните досега. „Това е най-големият подклас на решенията на Standard Model“, казва Цветик. "Невероятното и хубавото е, че всичко е в плътно свързана теория на струните, където геометрията ни помага."
Квадрилионът е изключително голям брой, макар и много по-малък от броя на решенията в F-теорията (който в последно число е около 10 272 000). И тъй като това е изключително голям брой, който предава нещо нетривиално и вярно във физиката на частиците в реалния свят, той ще бъде изучаван с най-голяма строгост и сериозност, казва Халвърсън.
По-нататъшното проучване ще включва идентифициране на по-силни връзки с физиката на частиците в реалния свят. Изследователите трябва да идентифицират връзките или взаимодействията между частиците в F-теоретичните решения, които отново зависят от геометричните детайли на допълнителното уплътняване.
Напълно възможно е в пространството на квадрилиона решения да има някои решения, водещи до разпад на протона в предвидими времеви мащаби. Това ясно би противоречало на реалния свят, тъй като експериментите не разкриха никакви признаци на разпад на протони. Или физиците биха могли да търсят решения, които прилагат спектъра на частиците от Стандартния модел, като запазват математическата симетрия (R-паритет). Тази симетрия забранява определени процеси на разпад на протони и би била много привлекателна от гледна точка на физиката на частиците, но тя липсва в съвременните модели.
В допълнение, тази работа предполага наличието на свръхсиметрия - тоест всички стандартни частици имат партньорски частици. Теорията на струните се нуждае от тази симетрия, за да осигури математическа последователност на решенията.
Но за каквато и да е теория за свръхсиметрия, която да отговаря на наблюдаваната вселена, симетрията трябва да бъде нарушена (точно както поставянето на прибори за хранене и чаша от лявата или дясната страна извън синхронизирането би нарушило симетрията на настройката на масата). В противен случай партньорските частици ще имат същата маса като частиците на Стандартния модел - което определено не е така, тъй като в нашите експерименти не сме виждали такива партньорски частици.
Иля Кел