Физика сегодня стоит на пересечении двух фундаментальных подходов — квантовой теории, описывающей микромир частиц, и общей теории относительности, которая описывает гравитацию и макроскопическую структуру пространства-времени. Несмотря на успехи обеих теорий, между ними до сих пор существует глубокая теоретическая несовместимость. Стандартная модель блестяще объясняет три фундаментальных взаимодействия — электромагнитное, слабое и сильное — но игнорирует гравитацию. Теория относительности, напротив, объясняет гравитацию, но не включает в себя квантовые эффекты.
Теория струн долгое время рассматривалась как наиболее перспективный кандидат на объединение этих двух картин. Она утверждает, что все элементарные частицы — это не точечные объекты, а крошечные одномерные струны, вибрации которых определяют свойства наблюдаемых частиц. Однако эта теория требует наличия дополнительных измерений — обычно 10 или 11, из которых 6–7 компактно свернуты в масштабах, недоступных прямому наблюдению. Её математическая сложность и широкое множество возможных решений — «ландшафт» теории струн — делают её крайне трудной для экспериментальной проверки.
Но вместо того чтобы спрашивать, какие явления теория струн может объяснить, исследователи из Университета Пенсильвании поставили вопрос наоборот: а что теория струн объяснить не может? Если такая частица будет обнаружена, это может серьёзно пошатнуть её статус как основной теории всего.
Команда сосредоточилась на структуре «семейств» частиц — групп, объединённых слабыми взаимодействиями. Например, электрон и нейтрино формируют дублет — два связанных элемента. Такие дублеты легко укладываются в математический аппарат теории струн. Но есть гипотетическое расширение — 5-плет, группа из пяти взаимосвязанных частиц. Такой пакет не возникает в известных решениях теории струн, и его обнаружение стало бы серьёзным вызовом для всей концепции.
На практике поиск 5-плета ведётся с помощью Большого адронного коллайдера (LHC). Эта частица — майорановский фермион — представляет собой квантовый объект, который является сам себе античастицей. Её заряженные компоненты крайне нестабильны: они быстро распадаются, оставляя в детекторе короткий трек, внезапно обрывающийся. Это так называемые «исчезающие треки», ключевой экспериментальный сигнал, позволяющий идентифицировать такие состояния.
Эти треки фиксируются двумя крупнейшими детекторами БАК — ATLAS и CMS. Они регистрируют миллиарды столкновений, в каждом из которых возможен рождение новых частиц. В ходе анализа эксперименты перепрофилировали предыдущие поиски гипотетических частиц суперсимметрии, чтобы проверить гипотезу о 5-плете. Результат: пока что таких треков не обнаружено, а это значит, что если 5-плеты существуют, то их масса должна превышать 650–700 ГэВ — в несколько раз больше массы бозона Хиггса.
Однако теоретически более тяжёлые 5-плеты всё ещё допустимы. Более того, нейтральный компонент 5-плета потенциально может играть роль тёмной материи — невидимого вещества, которое составляет около 85% массы Вселенной. При массе порядка 10 ТэВ (10 000 масс протона) такой фермион мог бы быть стабильным, инертным и незаметным для обычных детекторов — и при этом обладать всеми признаками тёмной материи.
Коллайдер не просто разбивает протоны. Он позволяет исследовать саму природу пространства, энергии и материи. Согласно формуле Эйнштейна E = mc², при достаточной энергии столкновения возможен синтез новых, более массивных частиц. Но чем выше их масса, тем реже они возникают, и тем труднее зафиксировать их сигналы среди огромного объёма данных.
Исчезающие треки, мягкие пионы, слабые отклонения в энергетическом балансе — всё это требует невероятной чувствительности и точности от детекторов и алгоритмов. Тем не менее, даже при таких сложностях учёные продолжают исследование с уверенностью, что каждая новая граница, поставленная экспериментом, сужает круг возможных моделей, указывая, где искать дальше.
Сегодня теория струн стоит на распутье: либо она выдержит натиск новых данных и укрепит свой статус, либо ей придётся уступить место более точной или радикальной теории. В обоих случаях выиграет физика — и наше понимание устройства Вселенной.