Naukowcy z Penn i Arizona State University wskazują samotny pakiet pięciogwiazdkowy (5-letni), który może podnieść teorię strun, wykrywając ją przy dużym zdeolacji hadronów. Utwory „Ghost”, które znikają w połowie lotu, mogą być ścigające fizycy broni palnej. Wczesne dane wyciskają okno wyszukiwania, ale następne uruchomienia zderzaków mogą sprawić, że – lub pękli – sprawa.
W fizyce istnieją dwa wielkie filary myślenia, które nie pasują do siebie. Standardowy model fizyki cząstek opisuje wszystkie znane podstawowe cząstki i trzy siły: elektromagnetyzm, silną siłę jądrową i słabą siłę jądrową. Tymczasem ogólna względność Einsteina opisuje grawitację i tkankę czasoprzestrzeni.
Jednak ramy te są zasadniczo niezgodne pod wieloma względami, mówi Jonathan Heckman, fizyk teoretyczny na University of Pennsylvania. Standardowy model traktuje siły jako dynamiczne pola cząstek, podczas gdy ogólna względność traktuje grawitację jako gładką geometrię czasoprzestrzeni, więc grawitacja „nie pasuje do standardowego modelu fizyki”, wyjaśnia.
W niedawnym artykule Heckman; Rebecca Hicks, doktorat uczeń Penn's School of Arts & Sciences; a ich współpracownicy odwracają tę krytykę na głowie. Zamiast pytać, jaką teorię strun przewiduje, autorzy pytają, czego ostatecznie nie może stworzyć. Ich odpowiedź wskazuje na pojedynczą egzotyczną cząstkę, która mogła pojawić się przy dużym zderzeniu hadronowym (LHC). Gdyby ta cząstka pojawi się, całą gmach teorii smyczkowej byłby, słowami Heckmana, „w ogromnych kłopotach”.
Teoria strun: dobra, zła, głodna energii
Przez dziesięciolecia fizycy starali się zjednoczyć teorię, która może pogodzić mechanikę kwantową, a co za tym idzie, zachowanie cząstek subatomowych, z grawitacją – co jest opisywane jako siła dynamiczna w ogólnej względności, ale nie jest w pełni zrozumiana w kontekstach kwantowych, mówi Heckman. Dobrym pretendentem do zawarcia grawitacji i zjawisk kwantowych jest teoria strun, która zakłada, że wszystkie cząstki, w tym hipotetyczna reprezentująca grawitację, są małymi wibracyjnymi strunami i która obiecuje pojedynczą ramę obejmującą wszystkie siły i materii. „Ale jedną z wad teorii strun jest to, że działa ona w wysokimarowym matematyce i ogromnym„ krajobrazie ”możliwych wszechświatów, co utrudnia eksperymentalnie, co utrudnia eksperymentalnie”-mówi Heckman, wskazując, w jaki sposób teoria struny wymaga czegoś więcej niż znanych czterech wymiarów-X, Y, Z i czasu-aby być matematycznym konsekwentnym.
„Większość wersji teorii strun wymaga łącznie 10 lub 11 wymiarów czasoprzestrzennych, przy czym dodatkowe wymiary są w pewnym sensie„ zwinięte ”lub składają się na siebie w bardzo małe skale”, mówi Hicks.
Aby sprawić, że sprawy są jeszcze bardziej trudne, charakterystyczne zachowania teorii strun wyraźnie ujawniają się w ogromnych energiach, „tych daleko poza tym, co zwykle spotykamy, a nawet generujemy u obecnych koliderów” – mówi Heckman.
Hicks porównuje go do powiększania odległego obiektu: codziennie, niższe energie, struny wyglądają jak zwykłe cząsteczki przypominające punkt, podobnie jak odległa lina może wydawać się jedną linią. „Ale kiedy podkręcasz energię, zaczynasz widzieć interakcje, jakie naprawdę są – struny wibrują i zderzają się” – wyjaśnia. „Przy niższych energiach szczegóły gubią się, a my po prostu znów widzimy znane cząstki. To tak, jak z daleka, nie możesz zrozumieć poszczególnych włókien w linie. Po prostu widzisz jedną, gładką linię.”
Właśnie dlatego fizycy polujący na podpisy teorii strun muszą popchnąć swoich koliderów-podobnie jak LHC-do coraz większych energii, mając nadzieję, że dostrzegają podstawowe sznurki, a nie tylko ich niższe energię jako zwykłe cząsteczki.
Dlaczego serwują teorię strun, cząsteczka, której prawdopodobnie nie będzie w stanie wrócić?
Testowanie teorii często oznacza wyszukiwanie prognoz, które potwierdzają jej ważność. Ale bardziej potężnym testem, mówi Heckman, jest znalezienie dokładnie tego, gdzie teoria zawodzi. Jeśli naukowcy odkryją, że coś, co faktycznie zabrania teoria, teoria jest zasadniczo niekompletna lub wadliwa. Ponieważ prognozy teorii strun są ogromne i różnorodne, naukowcy zamiast tego zapytali, czy istnieje prosty scenariusz cząstek, których teoria strun po prostu nie może pomieścić.
Zerwili, w jaki sposób teoria strun dotyczy „rodzin„ rodzin ”, grupy powiązanych cząstek związanych z zasadami słabej siły jądrowej, odpowiedzialnych za rozkład radioaktywny. Zazwyczaj rodziny cząstek to małe opakowania, takie jak elektron i jego rodzeństwo neutrinowe, które tworzą schludne dwumetrowe pakiet o nazwie Doublet. Teoria strun radzi sobie z tymi skromnymi rodzinami cząstek dość dobrze, bez problemu.
Jednak Heckman i Hicks zidentyfikowali rodzinę, która jest wyraźnie nieobecna w żadnych znanych obliczeniach opartych na strunie: pięcioosobowy pakiet cząstek lub 5-letni. Heckman porównuje to do próby zamówienia Whopper Meal z McDonald's: „Bez względu na to, jak twórczo przeszukujesz menu, nigdy się nie materializuje”.
„Przeszkodziliśmy każdy, co mamy, i ten pięcioosobowy pakiet po prostu nigdy się nie pojawia”-mówi Heckman. Ale czym dokładnie jest ten nieuchwytny 5-prlet?
Hicks wyjaśnia to jako rozszerzoną wersję dubletu: „5-PLET to jego supersifed kuzyn, pakujący pięć powiązanych cząstek”. Fizycy zawierają tę rodzinę cząstek w zwięzłą matematyczną formułę znaną jako Lagrangian, zasadniczo książka kucharska cząstek-fizyka. Sama cząstka nazywa się Fermion Majorany, co oznacza, że działa jak własna antyparty, podobna do monety, która ma głowy po obu stronach. Zidentyfikowanie takiej cząstki bezpośrednio sprzeciwiałoby się, jakie prognozują obecne modele teorii strun jest możliwe, co czyni wykrywanie tej konkretnej rodziny cząstek w testach LHC, który może potencjalnie zatrzasnąć teorię strun.
Dlaczego nie zauważono 5-letniej i znikającej wskazówki
Hicks przytacza dwie główne przeszkody w wykrywaniu tych 5-letniej struktury: „Produkcja i subtelność”. Na zderzaku energia może dosłownie zamienić się w masę; Einsteina E = MC² mówi, że wystarczającą ilość kinetycznej oomph (E) można przekształcić w ciężkie (M) zupełnie nowych cząstek, więc tym cięższy kamieniołom, tym rzadkie zdarzenie tworzenia.
„LHC musi uderzyć protonów wystarczająco mocno, aby wyczarować te mocne cząsteczki z czystej energii”, wyjaśnia Hicks, powołując się na E = Mc² Einsteina, który bezpośrednio łączy energię (E) z masą (M). „Gdy masy tych cząstek rosną w kierunku bilionów woltów elektronowych, szansa na ich dramatycznie spada”.
Nawet jeśli zostanie wyprodukowane, wykrywanie jest trudne. Naładowane cząsteczki w 5-letnich rozkładach bardzo szybko w prawie niewidoczne produkty. „Cięższe stany rozpadają się w miękki pion i niewidoczną neutralną cząstkę, zero (x0)”, mówi Hicks. „Pion jest tak niskoenergetyczny, że jest zasadniczo niewidoczny, a X0 przechodzi prosto. Rezultatem jest utwór, który znika w połowie detektora, podobnie jak odciski śniegu nagle zatrzymują się”.
Te charakterystyczne utwory są odbierane przez Atlas LHC (skrót od toroidalnego aparatu LHC) i CMS (kompaktowy elektromagnesu mionowy), „kamerach cyfrowych” wielkości domowej owiniętej wokół centrum zderzenia. Siedzą w przeciwnych punktach kolizji i działają niezależnie, dając społeczności fizyki dwa zestawy oczu na każdym wielkim odkryciu. Fizycy Penn, tacy jak Hicks, są częścią współpracy Atlas, pomagając w wykonywaniu wyszukiwania, które szukają dziwacznych sygnałów, takich jak zniknięcia.
Dlaczego 5-letni ma znaczenie dla ciemnej materii
Hicks twierdzi, że znalezienie 5-Plet nie jest ważne tylko dla testowania teorii strun, wskazując na kolejną ekscytującą możliwość: „Neutralny członek 5-letni może wyjaśnić ciemną materię, tajemnicza masa kształtowała większość materii naszego wszechświata”.
Ciemna materia stanowi około 85 procent całej materii we wszechświecie, ale naukowcy wciąż nie wiedzą, co to dokładnie jest. „Jeśli 5-letni waży około 10 Tev-około 10 000 mas protonowych-starannie pasuje do teorii o formacji Dark Matter po Wielkim Wybuchu”-mówi Hicks. „Jeszcze lżejsze 5-letni mogą nadal odgrywać rolę jako część szerszego krajobrazu ciemnej materii”.
„Jeśli wykryjemy 5-letni, jest to podwójna wygrana”-mówi Hicks. „Mielibyśmy kluczowe prognozy teorii strun i jednocześnie odkryli nowe wskazówki na temat ciemnej materii”.
Co LHC już wykluczył
Korzystając z istniejących danych ATLAS z przebiegów zderzaków, zespół przeszukał specyficznie w poszukiwaniu 5-letnich sygnałów. „Ponowne zinterpretowaliśmy wyszukiwania pierwotnie zaprojektowane dla„ Charginos ”-hipotetycznie naładowanych cząstek przewidywanych przez Supersymetria-i szukał 5-podpisów”, „Hicks mówi o przeszukaniu zespołu przez zespół znikającego Track. „Nie znaleźliśmy jeszcze żadnych dowodów, co oznacza, że jakakolwiek 5-letnia cząstka musi ważyć co najmniej 650-700 Gev, pięć razy cięższy niż bozon Higgsa”.
W kontekście Heckman mówi: „Ten wczesny wynik jest już silnym stwierdzeniem; oznacza to, że lżejsze 5-letni nie istnieją. Ale cięższe wciąż są bardzo na stole”.
Przyszłe wyszukiwania z ulepszonymi eksperymentami LHC obiecują nawet ostrzejsze testy. „Nie kibicujemy, aby teoria sznurków zawodzi” – mówi Hicks. „Testujemy go stresem, wywierając większą presję, aby sprawdzić, czy się utrzymuje”.
„Jeśli teoria strun przetrwa, fantastyczna” – mówi Heckman. „Jeśli to się zapina, dowiemy się czegoś głębokiego o naturze”.
Jonathan Heckman jest profesorem w Departamencie Fizyki i Astronomii School of Arts & Sciences, z drugorzędnym mianowaniem na Wydziale Matematyki.
Rebecca Hicks to doktorat. Student na Wydziale Fizyki i Astronomii w Penn Arts & Sciences.
Inni autorzy to Matthew Baumgart i Panagiotis Christas z Arizona State University.
Prace te otrzymały wsparcie od Departamentu Energii (nagrody DE-SC0019470 i DE-SC0013528), Fundacji Bininal Science Bininaal Science USA (Grant nr 2022100) oraz National Science Foundation.