Виявлено квадрильйон способів створення нашого Всесвіту в теорії струн

Фізики, які блукали по «ландшафту» теоріїструн - простору з мільярдів і мільярдів математичних рішень теорії, в якій кожне рішення надає рівняння, за допомогою яких фізики намагаються описати реальність - натрапили на підмножина таких рівнянь, які включають стільки ж частинок матерії, скільки існує в нашому Всесвіті. Однак це підмножина величезна: існує щонайменше квадрильйон таких рішень. Це найбільша знахідка в історії теорії струн.

Всесвіт в теорії струн

Відповідно до теорії струн, всі частинки іфундаментальні сили виникають в процесі коливань крихітних струн. Для математичної узгодженості, ці струни вібрують в 10-вимірному просторі-часі. І для узгодженості з нашим звичним повсякденним досвідом існування у Всесвіті, з трьома просторовими і одним тимчасовим виміром, додаткові шість вимірювань «компактифицированного», так що виявити їх не можна.

Різні компактификации призводять до різним рішенням. У теорії струн «рішення» має на увазі вакуум простору-часу, який регулюється теорією гравітації Ейнштейна в поєднанні з квантової теорії поля. Кожне рішення описує унікальну всесвіт, зі своїм власним набором частинок, фундаментальних сил і інших визначальних властивостей.

Деякі струнні теоретики зосередили своїзусилля на спробах знайти способи зв'язати теорію струн з властивостями нашої відомої спостережуваному Всесвіті - зокрема, зі Стандартною моделлю фізики елементарних частинок, яка описує всі відомі частинки і сили, крім гравітації.

Велика частина цих зусиль пов'язана з версієютеорії струн, в якій струни взаємодіють слабо. Однак за останні двадцять років нова гілка теорії струн під назвою F-теорія дозволила фізикам працювати з сильно взаємодіючими - або сильно пов'язаними - струнами.

«Цікаві результати полягають у тому, що коли зв'язок велика, ми можемо почати описувати теорію дуже геометрично», говорить Мирьям Цветик з Університету Пенсільванії у Філадельфії.

Це означає, що теоретики струн можутьвикористовувати алгебраїчну геометрію - яка використовує алгебраїчні методи для вирішення геометричних завдань - для аналізу різних способів компактификации додаткових вимірів в F-теорії та пошуку рішень. Математики незалежно вивчають деякі геометричні форми, які з'являються в F-теорії. «Вони забезпечують нас, фізиків, великим інструментарієм», говорить Лінг Лін, також з Університету Пенсільванії. «Геометрія насправді дуже важлива, це« мова », які робить F-теорію потужною структурою».

квадрильйонів всесвітів

І ось, Цветик, Лін, Джеймс Хелверсон зПівнічно-Східного університету в Бостоні використовували ці методи для ідентифікації класу рішень з вібруючими модами струн, які призводять до такого ж спектру фермионов (або часток матерії), який описується Стандартною моделлю - включаючи і властивість, завдяки якому ферміони бувають трьох поколінь (наприклад, електрон , мюон і тау - це три покоління однієї типу фермионов).

Рішення F-теорії, виявлені Цветик і їїколегами, також включають частки, які демонструють хіральність (відсутність симетрії щодо правої і лівої сторони) Стандартної моделі. У термінології фізики частинок, ці рішення відтворюють точний «хіральний спектр» частинок Стандартної моделі. Наприклад, кварки і лептони в цих рішеннях мають ліву та праву версії, як і в нашому Всесвіті.

Нова робота показує, що існує поЩонайменше квадрильйон рішень, в яких частинки мають такий же хіральний спектр, як і в Стандартної моделі, що на 10 порядків більше рішень, ніж було знайдено в теорії струн досі. «Це безумовно найбільший підклас рішень Стандартної моделі», говорить Цветик. «Що дивно і приємно, так це те, що все це в режимі Сільносвязанная теорії струн, де нам допомагає геометрія».

Квадрильйон - це надзвичайно велике число, хочаі набагато менше, ніж число рішень в F-теорії (яке за останніми підрахунками складає близько 10272000). І оскільки це надзвичайно велике число, яке видає щось нетривіальне і вірне у фізиці частинок реального світу, його вивчатимуть з усією строгістю і серйозністю, каже Хелверсон.

Подальше вивчення буде включати в себевиявлення сильніших зв'язків з фізикою елементарних частинок реального світу. Дослідники повинні визначити зв'язку або взаємодії між частинками в рішеннях F-теорії, які знову-таки залежать від геометричних деталей компактификации додаткових вимірів.

Цілком можливо, що в просторі квадрильйонарішень будуть деякі рішення, що призводять до розпаду протона в доступних для огляду тимчасових масштабах. Це явно суперечитиме реального світу, оскільки експерименти не виявили ніяких ознак розпаду протонів. Або ж фізики могли б пошукати рішення, які реалізують спектр частинок Стандартної моделі, що зберігають математичну симетрію (R-парність). Ця симетрія забороняє певні процеси розпаду протона і була б дуже привабливою з точки зору фізики елементарних частинок, проте в сучасних моделях відсутня.

Крім того, ця робота передбачає існуваннясуперсиметрії - тобто, всі стандартні частки мають частинок-партнерів. Теорія струн потребує цієї симетрії, щоб забезпечити математичну узгодженість рішень.

Але для того, щоб будь-яка теорія суперсиметріївідповідала спостережуваному Всесвіті, симетрія повинна бути порушена (подібно до того, як установка столових приборів і склянки на лівій або правій стороні вроздріб порушить симетрію сервірування столу). В іншому випадку частинки-партнери будуть мати таку ж масою, як частинки Стандартної моделі - а це точно не так, оскільки ми не бачили ніяких подібних частинок-партнерів в наших експериментах.

Як думаєте, чи знайдеться в теорії струн вірне рішення для нашого Всесвіту або фізики даремно витрачають час? Розкажіть в нашому чаті в Телеграма.