Fyzici, ktorí sa potulovali s „krajinou“teórie strún - priestorom miliárd a miliárd matematických riešení teórie, v ktorej každé riešenie poskytuje rovnice, s ktorými sa fyzici snažia opísať realitu - narazili na podskupinu takých rovníc, ktoré obsahujú toľko častíc hmoty, koľko ich je. v našom vesmíre. Táto podskupina je však obrovská: takéto riešenia existujú prinajmenšom štvornásobok. Toto je najväčší nález v histórii teórie strún.
Vesmír v teórii strún
Podľa teórie strún sú všetky častice a základné sily generované vibrujúcimi malými reťazcami. Pre matematickú konzistentnosť tieto reťazce vibrujú v 10-rozmernom priestoreočas. A kvôli konzistentnosti s našimi obvyklými každodennými skúsenosťami existencie vo vesmíre s tromi priestorovými a jedným časovými rozmermi sa ďalších šesť rozmerov „zhutní“, takže ich nemožno zistiť.
Rôzne zhutnenia vedú k rôznym riešeniam. V teórii strún sa „riešenie“vzťahuje na vákuum spacetime, ktoré sa riadi Einsteinovou teóriou gravitácie kombinovanou s teóriou kvantového poľa. Každé riešenie popisuje jedinečný vesmír s vlastnou sadou častíc, základnými silami a ďalšími definujúcimi vlastnosťami.
Niektorí strunoví teoretici zamerali svoje úsilie na hľadanie spôsobov, ako spojiť strunovú teóriu s vlastnosťami nášho známeho pozorovateľného vesmíru - najmä so štandardným modelom časticovej fyziky, ktorý popisuje všetky známe častice a sily okrem gravitácie.
Väčšina tohto úsilia pochádza z verzie teórie strún, v ktorej reťazce interagujú slabo. Za posledných dvadsať rokov však nová vetva teórie strún s názvom F-teória umožnila fyzikom pracovať so silne interagujúcimi alebo pevne viazanými reťazcami.
"Zaujímavé výsledky sú, že keď je vzťah veľký, môžeme začať popisovať teóriu veľmi geometricky," hovorí Miriam Tsvetik z Pennsylvánskej univerzity vo Philadelphii.
Propagačné video:
To znamená, že strunoví teoretici môžu používať algebraickú geometriu - ktorá využíva algebraické techniky na riešenie geometrických problémov - na analýzu rôznych spôsobov zhutňovania ďalších dimenzií v teórii F a na nájdenie riešení. Matematici nezávisle študujú niektoré geometrické tvary, ktoré sa vyskytujú vo F-teórii. „Poskytujú fyzikom množstvo nástrojov,“hovorí Ling Lin, tiež Pennsylvánska univerzita. „Geometria je skutočne veľmi dôležitá, je to„ jazyk “, vďaka ktorému je F-teória silnou štruktúrou.“
Quadrilióny vesmíru
Tsvetik, Lin, James Halverson z Northeastern University v Bostone použil tieto metódy na identifikáciu triedy riešení s vibračnými strunovými režimami, ktoré vedú k rovnakému spektru fermiónov (alebo častíc hmoty), ako je opísané v štandardnom modeli - vrátane vlastnosti, kvôli ktorým sú fermiony troch generácií (napríklad elektrón, mión a tau sú tri generácie rovnakého typu fermionov).
Medzi riešenia F-teórie, ktoré objavili Tsvetik a jej kolegovia, patria aj častice, ktoré vykazujú chiralitu (nedostatok symetrie okolo pravej a ľavej strany) štandardného modelu. V terminológii fyziky častíc reprodukujú tieto riešenia presné „chirálne spektrum“častíc v štandardnom modeli. Napríklad kvarky a leptóny v týchto riešeniach majú ľavú a pravú verziu, ako v našom vesmíre.
Nová práca ukazuje, že existuje najmenej štvornásobok riešení, v ktorých častice majú rovnaké chirálne spektrum ako v štandardnom modeli, o 10 rádov viac riešení, ako sa doteraz zistilo v teórii strún. „Toto je zďaleka najväčšia podtrieda riešení štandardných modelov,“hovorí Tsvetik. „Čo je úžasné a pekné je to, že je to všetko v úzko spojenej teórii strún, kde nám pomáha geometria.“
Quadrillion je extrémne veľké množstvo, aj keď oveľa menšie ako počet riešení v teórii F (čo je v konečnom dôsledku asi 10 272 000). A keďže ide o extrémne veľké množstvo, ktoré v fyzike častíc v skutočnom svete prezrádza niečo netriviálne a pravdivé, bude sa študovať s maximálnou prísnosťou a vážnosťou, hovorí Halverson.
Ďalší prieskum bude zahŕňať identifikáciu silnejších väzieb na fyziku častíc v reálnom svete. Vedci musia identifikovať spojenia alebo interakcie medzi časticami v riešeniach F-teórie, ktoré opäť závisia od geometrických detailov kompaktizácie extra dimenzie.
Je celkom možné, že v priestore štvormiliónových riešení budú nejaké riešenia vedúce k rozpadu protónu v predvídateľných časových mierkach. To by bolo jednoznačne v rozpore so skutočným svetom, pretože experimenty neodhalili žiadne známky rozkladu protónov. Alebo fyzici mohli hľadať riešenia, ktoré implementujú spektrum častíc štandardného modelu pri zachovaní matematickej symetrie (parita R). Táto symetria zakazuje určité procesy rozpadu protónov a bola by veľmi atraktívna z hľadiska fyziky častíc, ale v moderných modeloch chýba.
Okrem toho táto práca predpokladá existenciu supersymetrie - to znamená, že všetky štandardné častice majú partnerské častice. Teória strún potrebuje túto symetriu na zabezpečenie matematickej konzistentnosti riešení.
Ale aby akákoľvek teória supersymetrie vyhovovala pozorovateľnému vesmíru, musí byť symetria porušená (rovnako ako umiestnenie príborov a pohárov na ľavú alebo pravú stranu mimo synchronizácie by narušilo symetriu nastavenia tabuľky). Inak budú mať partnerské častice rovnakú hmotnosť ako častice štandardného modelu - čo určite nie je prípad, pretože sme v našich experimentoch nevideli žiadne takéto partnerské častice.
Ilja Khel