Сломает ли Коллайдер теорию струн? Судьбу физики может решить одна «запретная» частица

Почему физики надеются сломать теорию струн одной частицей

На границе Швейцарии и Франции, под землей, 27-километровый Большой адронный коллайдер гоняет протоны почти до скорости света. Кажется, задача проста — сталкивать частицы и смотреть, что вылетит. Но сейчас там идет охота. И охотятся не за тем, что ученые ожидают найти, а за тем, чего, по одной из самых красивых теорий, быть просто не может. Это научный детектив, где ставка — вся физика.

Как проверяют теории: принцип чёрного лебедя

В науке опровержение часто ценнее подтверждения. Карл Поппер называл это фальсификацией. Пример: вы ищете лебедей. Нашли тысячу белых — круто, но не доказательство. А нашли одного чёрного — всё, теория «все лебеди белые» рухнула. Физики сегодня применяют тот же принцип к теории струн.

Джонатан Хекман и Ребекка Хикс из Пенсильванского университета пошли от обратного. Они спросили: «Какие частицы теория струн категорически запрещает?» И нашли то, что математика струн не может родить ни при каких условиях — семейство из пяти частиц, квинтеплет.

Обнаружить эту частицу — всё равно что найти чёрного лебедя. Теория струн развалится. И физики этого очень хотят.

Почему теория струн такая уязвимая

Стандартная модель — лучшая из известных теорий микромира. Она описывает три силы: электромагнитную, слабую и сильную. Но гравитация в неё не влезает. Общая теория относительности говорит, что гравитация — гладкое искривление пространства-времени. А квантовая физика строится на дискретных частицах. Языки разные.

Теория струн — попытка объединить всё. Идея: все частицы — это не точки, а крошечные одномерные струны, вибрирующие на разных частотах. Разная вибрация — разная частица. Но за красоту надо платить: математика требует 10 или 11 измерений (лишние свёрнуты в микроскопические клубки). И энергии, при которых струны проявляются, запредельны. Это делает проверку почти невозможной. Почти.

Подозреваемый: квинтеплет и его следы

В Стандартной модели частицы объединяются в семейства. Например, электрон и его нейтрино — дублет. Теория струн легко порождает такие пары. А вот семейство из пяти частиц — квинтеплет — не получается. Это как пытаться заказать экзотическое блюдо, которого нет в меню.

Квинтеплет — это конкретный майорановский фермион: частица, которая является собственной античастицей. И у него есть две интригующие особенности.

Во-первых, если масса квинтеплета около 10 ТэВ (в 10 000 раз тяжелее протона), то нейтральный член семейства идеально совпадает с кандидатом на частицу тёмной материи — той самой таинственной субстанции, из которой на 85% состоит Вселенная. Во-вторых, его сигнатура в детекторе уникальна: заряженные частицы распадаются почти мгновенно, оставляя короткий трек, который внезапно обрывается. Это исчезновение и есть главная улика.

Как это работает: пошаговая инструкция поиска

Учёные анализируют данные с детектора ATLAS. Всё происходит так:

• 1. Сталкивают протоны с энергией 13 ТэВ.
• 2. Смотрят на события, где один трек резко обрывается, а других частиц вокруг почти нет.
• 3. Исключают фоновые процессы (распад W- или Z-бозонов).
• 4. Вычисляют, какую массу мог бы иметь «невидимый» остаток.
• 5. Если согласуется с 700 ГэВ и выше — возможно, это квинтеплет.

Пока ничего не нашли. Но получен важный предел: масса квинтеплета не меньше 700 ГэВ (в пять раз тяжелее бозона Хиггса). С каждым новым сеансом коллайдера энергия растёт, и окно поиска сужается.

Недавно я заметил, что похожая логика работает и в технике. Например, при испытании нового бетона ты проверяешь не то, как он держит нагрузку, а при какой нагрузке он разрушится. Разрушение — лучший тест. И физики частиц здесь такие же инженеры-разрушители.

Что дальше: ставки и смысл

Группа Хекмана и Хикс уже переосмыслила архивные данные ATLAS. Пусто — но это результат. Он означает, что если квинтеплет существует, он тяжелее 700 ГэВ. Теперь нужны прямые поиски. БАК повышает энергию до 14 ТэВ, физики готовят новые алгоритмы фильтрации.

Если квинтеплет найдут — теория струн окажется несостоятельной. Если не найдут — это не подтвердит её, но оставит шанс. Оба исхода — победа науки. Либо мы отбрасываем красивую, но неверную идею, либо узнаём, что всё ещё сложнее. Охота продолжается.

Резюме от автора. Ищите не подтверждения, а то, что может сломать вашу картину мира. Только тогда открытия становятся настоящими.