Обнаружен квадриллион способов создания нашей Вселенной в теории струн

Физики, которые блуждали по «ландшафту» теории струн — пространства из миллиардов и миллиардов математических решений теории, в которой каждое решение предоставляет уравнения, с помощью которых физики пытаются описать реальность — наткнулись на подмножество таких уравнений, которые включают столько же частиц материи, сколько существует в нашей Вселенной. Однако это подмножество огромное: существует по меньшей мере квадриллион таких решений. Это крупнейшая находка в истории теории струн.

Вселенная в теории струн

Согласно теории струн, все частицы и фундаментальные силы возникают в процессе колебаний крошечных струн. Для математической согласованности, эти струны вибрируют в 10-мерном пространстве-времени. И для согласованности с нашим привычным повседневным опытом существования во Вселенной, с тремя пространственными и одним временным измерением, дополнительные шесть измерений «компактифицированы», так что обнаружить их нельзя.

Разные компактификации приводят к разным решениям. В теории струн «решение» подразумевает вакуум пространства-времени, который регулируется теорией гравитации Эйнштейна в сочетании с квантовой теорией поля. Каждое решение описывает уникальную вселенную, со своим собственным набором частиц, фундаментальных сил и других определяющих свойств.

Некоторые струнные теоретики сосредоточили свои усилия на попытках найти способы связать теорию струн со свойствами нашей известной наблюдаемой Вселенной — в частности, со Стандартной моделью физики элементарных частиц, которая описывает все известные частицы и силы, кроме гравитации.

Большая часть этих усилий связана с версией теории струн, в которой струны взаимодействуют слабо. Однако за последние двадцать лет новая ветвь теории струн под названием F-теория позволила физикам работать с сильно взаимодействующими — или сильно связанными — струнами.

«Интересные результаты состоят в том, что когда связь большая, мы можем начать описывать теорию очень геометрически», говорит Мирьям Цветик из Университета Пенсильвании в Филадельфии.

Это означает, что теоретики струн могут использовать алгебраическую геометрию — которая использует алгебраические методы для решения геометрических задач — для анализа различных способов компактификации дополнительных измерений в F-теории и поиска решений. Математики независимо изучают некоторые геометрические формы, которые появляются в F-теории. «Они обеспечивают нас, физиков, обширным инструментарием», говорит Линг Лин, также из Университета Пенсильвании. «Геометрия на самом деле очень важна, это «язык», которые делает F-теорию мощной структурой».

Квадриллионы вселенных

И вот, Цветик, Лин, Джеймс Хэлверсон из Северо-Восточного университета в Бостоне использовали эти методы для идентификации класса решений с вибрирующими модами струн, которые приводят к такому же спектру фермионов (или частиц материи), какой описывается Стандартной моделью — включая и свойство, благодаря которому фермионы бывают трех поколений (например, электрон, мюон и тау — это три поколения одного типа фермионов).

Решения F-теории, обнаруженные Цветик и ее коллегами, также включают частицы, которые демонстрируют хиральность (отсутствие симметрии относительно правой и левой стороны) Стандартной модели. В терминологии физики частиц, эти решения воспроизводят точный «хиральный спектр» частиц Стандартной модели. Например, кварки и лептоны в этих решениях имеют левую и правую версии, как и в нашей Вселенной.

Новая работа показывает, что существует по меньшей мере квадриллион решений, в которых частицы имеют такой же хиральный спектр, как и в Стандартной модели, что на 10 порядков больше решений, чем было найдено в теории струн до сих пор. «Это безусловно самый большой подкласс решений Стандартной модели», говорит Цветик. «Что удивительно и приятно, так это то, что все это в режиме сильносвязанной теории струн, где нам помогает геометрия».

Квадриллион — это чрезвычайно большое число, хотя и намного меньшее, чем число решений в F-теории (которое по последним подсчетам составляет порядка 10²⁷²⁰⁰⁰). И поскольку это чрезвычайно большое число, которое выдает что-то нетривиальное и верное в физике частиц реального мира, его будут изучать со всей строгостью и серьезностью, говорит Хэлверсон.

Дальнейшее изучение будет включать в себя выявление более сильных связей с физикой элементарных частиц реального мира. Исследователи должны определить связи или взаимодействия между частицами в решениях F-теории, которые опять-таки зависят от геометрических деталей компактификации дополнительных измерений.

Вполне возможно, что в пространстве квадриллиона решений будут некоторые решения, приводящие к распаду протона в обозримых временных масштабах. Это явно будет противоречить реальному миру, поскольку эксперименты не выявили никаких признаков распада протонов. Или же физики могли бы поискать решения, которые реализуют спектр частиц Стандартной модели, сохраняющие математическую симметрию (R-четность). Эта симметрия запрещает определенные процессы распада протона и была бы очень привлекательной с точки зрения физики элементарных частиц, однако в современных моделях отсутствует.

Кроме того, эта работа предполагает существование суперсимметрии — то есть, все стандартные частицы имеют частиц-партнеров. Теория струн нуждается в этой симметрии, чтобы обеспечить математическую согласованность решений.

Но для того, чтобы любая теория суперсимметрии соответствовала наблюдаемой Вселенной, симметрия должна быть нарушена (подобно тому, как установка столовых приборов и стакана на левой или правой стороне вразнобой нарушит симметрию сервировки стола). В противном случае частицы-партнеры будут обладать такой же массой, как частицы Стандартной модели — а это точно не так, поскольку мы не видели никаких подобных частиц-партнеров в наших экспериментах.