Fizycy, którzy błądzili po „krajobrazie” teorii strun - przestrzeni miliardów i miliardów matematycznych rozwiązań teorii, w której każde rozwiązanie dostarcza równań, za pomocą których fizycy próbują opisać rzeczywistość - natknęli się na podzbiór takich równań, które obejmują tyle cząstek materii, ile jest. w naszym wszechświecie. Jednak ten podzbiór jest ogromny: takich rozwiązań jest co najmniej biliard. To największe znalezisko w historii teorii strun.
Wszechświat w teorii strun
Zgodnie z teorią strun wszystkie cząstki i siły podstawowe są generowane przez wibrujące maleńkie struny. Aby uzyskać matematyczną spójność, struny te wibrują w 10-wymiarowej czasoprzestrzeni. A dla spójności z naszym zwykłym, codziennym doświadczeniem istnienia we Wszechświecie, z trzema wymiarami przestrzennymi i jednym wymiarami czasowymi, dodatkowe sześć wymiarów jest „zagęszczonych”, tak że nie można ich wykryć.
Różne kompaktyfikacje prowadzą do różnych rozwiązań. W teorii strun „rozwiązanie” odnosi się do próżni czasoprzestrzeni, którą rządzi teoria grawitacji Einsteina połączona z kwantową teorią pola. Każde rozwiązanie opisuje unikalny wszechświat z własnym zestawem cząstek, siłami podstawowymi i innymi definiującymi właściwościami.
Niektórzy teoretycy strun skupili swoje wysiłki na próbie znalezienia sposobów powiązania teorii strun z właściwościami naszego znanego obserwowalnego wszechświata - w szczególności ze standardowym modelem fizyki cząstek elementarnych, który opisuje wszystkie znane cząstki i siły z wyjątkiem grawitacji.
Wiele z tych wysiłków pochodzi z wersji teorii strun, w której struny oddziałują słabo. Jednak w ciągu ostatnich dwudziestu lat nowa gałąź teorii strun, zwana teorią F, umożliwiła fizykom pracę z silnie oddziałującymi - lub ściśle związanymi - strunami.
„Ciekawe wyniki są takie, że gdy związek jest duży, możemy zacząć opisywać teorię bardzo geometrycznie” - mówi Miriam Tsvetik z University of Pennsylvania w Filadelfii.
Film promocyjny:
Oznacza to, że teoretycy strun mogą używać geometrii algebraicznej - która wykorzystuje metody algebraiczne do rozwiązywania problemów geometrycznych - do analizowania różnych sposobów zagęszczania dodatkowych wymiarów w teorii F i znajdowania rozwiązań. Matematycy niezależnie badają niektóre kształty geometryczne, które pojawiają się w teorii F. „Zapewniają nam, fizykom, bogactwo narzędzi” - mówi Ling Lin, również z University of Pennsylvania. „Geometria jest właściwie bardzo ważna, to 'język' sprawia, że F-teoria jest potężną strukturą”.
Biliardy wszechświatów
Tak więc Tsvetik, Lin, James Halverson z Northeastern University w Bostonie wykorzystali te metody do zidentyfikowania klasy rozwiązań z wibrującymi modami struny, które prowadzą do tego samego widma fermionów (lub cząstek materii), jak opisane w Modelu Standardowym - w tym właściwość, dzięki czemu fermiony należą do trzech generacji (na przykład elektron, mion i tau to trzy generacje tego samego rodzaju fermionów).
Rozwiązania F-teorii odkryte przez Tsvetik i jej współpracowników obejmują również cząstki wykazujące chiralność (brak symetrii względem prawej i lewej strony) Modelu Standardowego. W terminologii fizyki cząstek, rozwiązania te odtwarzają dokładne „widmo chiralne” cząstek w modelu standardowym. Na przykład kwarki i leptony w tych rozwiązaniach mają wersje lewą i prawą, tak jak w naszym wszechświecie.
Nowa praca pokazuje, że istnieje co najmniej biliard rozwiązań, w których cząstki mają takie samo widmo chiralne jak w Modelu Standardowym, czyli o 10 rzędów wielkości więcej rozwiązań niż dotychczas znaleziono w teorii strun. „To jest zdecydowanie największa podklasa rozwiązań Modelu Standardowego” - mówi Tsvetik. „Niesamowite i przyjemne jest to, że wszystko to opiera się na teorii ściśle powiązanych strun, gdzie pomaga nam geometria”.
Kwadrylion to niezwykle duża liczba, choć znacznie mniejsza niż liczba rozwiązań w teorii F (która ostatecznie wynosi około 10 272 000). A ponieważ jest to niezwykle duża liczba, która zdradza coś nietrywialnego i prawdziwego w fizyce cząstek elementarnych w świecie rzeczywistym, będzie badana z całą dokładnością i powagą, mówi Halverson.
Dalsza eksploracja obejmie identyfikację silniejszych powiązań z fizyką cząstek elementarnych w świecie rzeczywistym. Badacze muszą zidentyfikować powiązania lub interakcje między cząstkami w rozwiązaniach opartych na teorii F, które ponownie zależą od szczegółów geometrycznych zwartości dodatkowych wymiarów.
Całkiem możliwe, że w przestrzeni biliarda rozwiązań będą istnieć rozwiązania prowadzące do rozpadu protonu w przewidywalnych skalach czasowych. Byłoby to wyraźnie sprzeczne z rzeczywistością, ponieważ eksperymenty nie ujawniły żadnych oznak rozpadu protonu. Lub fizycy mogliby szukać rozwiązań, które implementują widmo cząstek Modelu Standardowego, zachowując matematyczną symetrię (parzystość R). Ta symetria zabrania pewnych procesów rozpadu protonów i byłaby bardzo atrakcyjna z punktu widzenia fizyki cząstek elementarnych, ale nie występuje we współczesnych modelach.
Ponadto praca ta zakłada istnienie supersymetrii - to znaczy, że wszystkie cząstki standardowe mają cząstki partnerskie. Teoria strun potrzebuje tej symetrii, aby zapewnić matematyczną spójność rozwiązań.
Ale aby jakakolwiek teoria supersymetrii pasowała do obserwowalnego wszechświata, symetria musi zostać złamana (tak samo, jak niezsynchronizowanie sztućców i szklanki po lewej lub prawej stronie złamałoby symetrię ustawienia stołu). W przeciwnym razie cząstki partnerskie będą miały taką samą masę jak cząstki Modelu Standardowego - co z pewnością nie ma miejsca, ponieważ w naszych eksperymentach nie widzieliśmy żadnych takich cząstek partnerskich.
Ilya Khel