Fysiker som vandrade strängetteoriens "landskap" - ett utrymme av miljarder och miljarder matematiska lösningar på en teori där varje lösning ger ekvationer som fysiker försöker beskriva verkligheten - har snubblat över en delmängd av sådana ekvationer som innehåller lika många partiklar av materia som det finns i vårt universum. Men denna delmängd är enorm: det finns åtminstone en fyrdubbla sådana lösningar. Detta är det största fyndet i strängteoriens historia.
Universum i strängteori
Enligt strängteori genereras alla partiklar och grundkrafter genom vibrerande små strängar. För matematisk konsistens vibrerar dessa strängar i 10-dimensionell rymdtid. Och för överensstämmelse med vår vanliga vardagliga upplevelse av existens i universum, med tre rumsliga och en tidsdimension, "komprimeras" de ytterligare sex dimensionerna så att de inte kan upptäckas.
Olika komprimeringar leder till olika lösningar. I strängteori avser”lösning” vakuumet i rymdtiden, som styrs av Einsteins tyngdkraftteori kombinerat med kvantfältteori. Varje lösning beskriver ett unikt universum med sin egen uppsättning av partiklar, grundläggande krafter och andra definierande egenskaper.
Vissa strängteoretiker har fokuserat sina ansträngningar på att försöka hitta sätt att relatera strängteori till egenskaperna hos vårt kända observerbara universum - särskilt standardmodellen för partikelfysik, som beskriver alla kända partiklar och krafter utom gravitation.
Mycket av denna ansträngning kommer från en version av strängteori där strängar interagerar svagt. Under de senaste tjugo åren har emellertid en ny gren av strängteori som kallas F-teori gjort det möjligt för fysiker att arbeta med starkt samverkande - eller tätt kopplade - strängar.
"De intressanta resultaten är att när förhållandet är stort kan vi börja beskriva teorin mycket geometriskt," säger Miriam Tsvetik vid University of Pennsylvania i Philadelphia.
Kampanjvideo:
Detta innebär att strängteoretiker kan använda algebraisk geometri - som använder algebraiska metoder för att lösa geometriska problem - för att analysera olika sätt att komprimera extra dimensioner i F-teorin och hitta lösningar. Matematiker studerar självständigt några av de geometriska former som förekommer i F-teorin. "De ger oss fysiker en mängd verktyg," säger Ling Lin, också från University of Pennsylvania. "Geometri är faktiskt mycket viktigt, det är" språket "som gör F-teorin till en kraftfull struktur."
Kvadrillioner av universum
Och så Tsvetik, Lin, James Halverson från Northeastern University i Boston använde dessa metoder för att identifiera en klass av lösningar med vibrerande stränglägen som leder till samma spektrum av fermioner (eller materialpartiklar) som beskrivs av standardmodellen - inklusive fastigheten, på grund av vilken fermioner är av tre generationer (till exempel elektron, muon och tau är tre generationer av samma typ av fermioner).
F-teorilösningarna som upptäckts av Tsvetik och hennes kollegor inkluderar också partiklar som uppvisar chiralitet (brist på symmetri om höger och vänster sida) av standardmodellen. I partikelfysikterminologi reproducerar dessa lösningar det exakta "chirala spektrumet" av partiklar i standardmodellen. Till exempel har kvarkarna och leptonerna i dessa lösningar vänster- och högerversioner, som i vårt universum.
Det nya arbetet visar att det finns åtminstone en kvadrillionslösning där partiklar har samma kirala spektrum som i standardmodellen, 10 ordningsfaktorer fler lösningar än hittills hittats i strängteori. "Detta är den överlägset största underklassen av standardmodellösningar," säger Tsvetik. "Det fantastiska och trevliga är att det allt är i tätt kopplad strängteori där geometri hjälper oss."
Quadrillion är ett extremt stort antal, om än mycket mindre än antalet lösningar i F-teori (som till sist är cirka 10 272 000). Och eftersom det är ett extremt stort antal, som förråder något som inte är trivialt och sant i partikelfysiken i den verkliga världen, kommer det att studeras med största noggrannhet och allvar, säger Halverson.
Ytterligare undersökningar kommer att omfatta identifiering av starkare kopplingar till partikelfysik i den verkliga världen. Forskare måste identifiera kopplingar eller interaktioner mellan partiklar i F-teorilösningar, som igen beror på de geometriska detaljerna för extra dimensionskompaktering.
Det är ganska möjligt att det i utrymmet för en fyrkantig lösning kommer att finnas några lösningar som leder till att en proton förfaller i förutsebara tidsskalor. Detta skulle helt klart motsäga den verkliga världen, eftersom experimenten inte avslöjade några tecken på protonförfall. Eller fysiker kunde leta efter lösningar som implementerar spektrumet av partiklar i standardmodellen, samtidigt som matematisk symmetri (R-paritet) bevaras. Denna symmetri förbjuder vissa processer för nedbrytning av proton och skulle vara mycket attraktiv ur partikelfysikens synvinkel, men den är frånvarande i moderna modeller.
Dessutom antar detta arbete förekomsten av supersymmetri - det vill säga att alla standardpartiklar har partikelpartiklar. Strängteori behöver denna symmetri för att säkerställa matematisk konsistens av lösningar.
Men för vilken supersymmetri-teori som passar det observerbara universum måste symmetrin brytas (precis som att placera bestick och ett glas på vänster eller höger sida ur synkroniseringen skulle bryta symmetri i tabellinställningen). Annars kommer partnerpartiklarna att ha samma massa som partiklarna i standardmodellen - vilket definitivt inte är fallet, eftersom vi inte har sett några sådana partnerpartiklar i våra experiment.
Ilya Khel
