Теория струн на протяжении десятилетий оставалась одним из самых амбициозных проектов в физике, способных объединить в единую картину квантовую механику и гравитацию. Эта теория предполагает, что все фундаментальные частицы и силы во Вселенной являются проявлениями одних и тех же базовых объектов — крошечных вибрирующих струн. Однако подтверждение или опровержение этой идеи по-прежнему остаются одними из главных вызовов современного научного сообщества. Сегодня ключ помочь в решении этой задачи может сыграть самый мощный в мире ускоритель элементарных частиц — Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРН, который открывает новые возможности для тестирования теории струн на практике. Наука движется вперед благодаря постоянному поиску экспериментальных подтверждений или опровержений теорий.
В рамках классического научного подхода доказать истинность теории сложнее, чем выявить ее уязвимые места. Именно поэтому видные ученые, включая Джонатана Хекмана из Университета Пенсильвании и его коллегу Ребекку Хикс, предприняли необычный подход. Вместо попыток найти подтверждение теории струн, они сосредоточились на том, чтобы выявить возможные наблюдения, которые прямо противоречат ее предсказаниям. Их усилия сократились до поиска специфической частицы — так называемого пятерного пакета или 5-плета. По словам исследователей, появление такой частицы в данных с БАК будет иметь катастрофические последствия для теории струн.
Стандартная модель физики частиц давно описывает основные материальные частицы и три из четырех фундаментальных сил — электромагнитное взаимодействие, сильное и слабое ядерные взаимодействия. Однако гравитация, объясняемая общей теорией относительности Эйнштейна как геометрия пространства-времени, не вписывается в этот строй. Теория струн выступала логичным кандидатом для объединения этих разрозненных описаний, обещая единое объяснение всего сущего. Проблема в том, что теория струн работает в условиях гораздо более сложной математической структуры, чем привычная нам четырехмерная вселенная. Она требует существования дополнительных измерений, свёрнутых в пространстве на сверхмалых масштабах, а ее эффекты становятся заметными только при очень высоких энергиях, которые пока что недостижимы с помощью современных технологий.
Отсюда вытекает необходимость «заглядывать» все глубже в структуру материи с помощью Большого адронного коллайдера, который способен создавать уникальные условия, встречающиеся в природе чрезвычайно редко. Эксперименты, проводимые в ЦЕРН, стремятся создать в контролируемых условиях самые высокоэнергетические столкновения протонов, чтобы произвести новые, экзотические частицы, которые могли бы пролить свет на фундаментальную структуру Вселенной. Однако обнаружить саму теорию струн слишком сложно — более реалистичная и актуальная задача заключается в поиске потенциальных «дыр» в ее предсказаниях. В отличие от привычных малых групп, составляющих семейства частиц в Стандартной модели, пятерный пакет или 5-плет представляет собой группу из пяти связанных частиц, которые, согласно известным расчетам теории струн, просто не способны образовываться. Если экспериментально будет выявлена такая структура, это будет означать, что теория струн в ее нынешнем виде оказалась не просто неполной, а полностью неверной для описания нашей реальности.
Есть и дополнительные трудности с выявлением 5-плета, которые связаны с особенностями его взаимодействия и распада. Даже если такие частицы и создаются в коллайдере, они крайне нестабильны и быстро распадаются на частицы, практически невидимые для стандартных методов обнаружения, оставляя лишь «призрачные» следы, которые исчезают в середине детектора. В этих загадочных «пропадающих» или «призрачных» треках и кроется ключ к доказательству либо опровержению теории. Группа Хекмана и Хикс использовала уже имеющиеся данные, собранные детекторами ATLAS и CMS на БАК, переработав их с учетом возможности попадания 5-плетов. Хотя пока таких сигналов не обнаружено, удалось поставить лимиты на массу этих частиц — они должны быть значительно тяжелее двухсот тридцати пяти гигаэлектронвольт, что уже сужает окно для их существования и, соответственно, для всех моделей теории струн.
Современные результаты служат важным рубежом для научного сообщества: либо в ближайшие эксперименты будет обнаружена такая частица, что мгновенно отбрасывает теорию струн, либо теория устоит под давлением новых данных и укрепит свой статус. Ученые подчеркивают, что их цель — не «поймать» теорию на ошибке любой ценой, а провести максимально строгую проверку, чтобы приблизить нас к истине. Для многих физиков теория струн на сегодняшний момент одновременно притягательна и загадочна. Она предлагает заманчивое видение мироздания, в котором все силы и частицы — разные проявления одних и тех же фундаментальных структур. Однако ее непрозрачность и трудности с экспериментальной проверкой создают предпосылки для развития альтернативных теорий.
Среди них — квантовая гравитация, петлевая квантовая гравитация и другие перспективные направления. Тем не менее, Большой адронный коллайдер продолжит оставаться передовой площадкой для прорывных исследований. Его уникальные возможности позволяют исследовать пределы физики и ставить под сомнение не только теорию струн, но и многие другие базовые представления. Расширение эргономики и возможностей коллайдера в будущем, а также появление новых, более мощных ускорителей даст шанс выявить новые частицы и феномены, которые откроют еще глубже тайны нашего мироздания. Таким образом, данные с Большого адронного коллайдера превратились в важный испытательный полигон для теории струн.
Прогресс в его анализе и новых экспериментах может стать переломным моментом в истории физики, когда многолетние предположения, наконец, получат либо экспериментальное подтверждение, либо будут подорваны найденными противоречиями. И хотя сегодня пятерные пакеты пока не обнаружены, будущее исследований в этом направлении обещает стать ярким и по-настоящему революционным для понимания вселенной и законов её функционирования.
