Fysikere, der har vandret i "landskabet" i strengteori - et rum med milliarder og milliarder af matematiske løsninger til en teori, hvor hver løsning giver ligningerne, som fysikere forsøger at beskrive virkeligheden - har snublet over en undergruppe af sådanne ligninger, der inkluderer så mange partikler af stof som der er i vores univers. Imidlertid er denne delmængde enorm: der er i det mindste en firedel af sådanne løsninger. Dette er det største fund i strengteoriens historie.
Universet i strengteori
I henhold til strengteori genereres alle partikler og grundlæggende kræfter af vibrerende små strenge. For matematisk konsistens vibrerer disse strenge i 10-dimensionel rumtid. Og for at være sammenhængende med vores sædvanlige hverdagsoplevelse af eksistensen i universet med tre rumlige og en tidsmæssige dimensioner "komprimeres" de yderligere seks dimensioner, så de ikke kan opdages.
Forskellige komprimeringer fører til forskellige løsninger. I strengteori refererer "løsning" til rumtidsvakuumet, der styres af Einsteins tyngdekraft kombineret med kvantefeltteori. Hver løsning beskriver et unikt univers med sit eget sæt af partikler, grundlæggende kræfter og andre definerende egenskaber.
Nogle strengteoretikere har fokuseret deres bestræbelser på at forsøge at finde måder at relatere strengteori til egenskaberne ved vores kendte observerbare univers - især Standardmodellen for partikelfysik, der beskriver alle kendte partikler og kræfter undtagen tyngdekraften.
Meget af denne indsats kommer fra en version af strengteori, hvor strenge interagerer svagt. I løbet af de sidste tyve år har en ny gren af strengteori kaldet F-teori imidlertid gjort det muligt for fysikere at arbejde med stærkt interagerende - eller tæt koblede - strenge.
”De interessante resultater er, at når forholdet er stort, kan vi begynde at beskrive teorien meget geometrisk,” siger Miriam Tsvetik fra University of Pennsylvania i Philadelphia.
Salgsfremmende video:
Dette betyder, at strengteoretikere kan bruge algebraisk geometri - som bruger algebraiske metoder til at løse geometriske problemer - til at analysere forskellige måder at komprimere ekstra dimensioner i F teori og finde løsninger. Matematikere studerer uafhængigt af nogle af de geometriske former, der vises i F-teori.”De giver os fysikere et væld af værktøjer,” siger Ling Lin, også fra University of Pennsylvania. "Geometri er faktisk meget vigtig, det er det 'sprog', der gør F-teorien til en stærk struktur."
Kvadrillioner af universer
Så Tsvetik, Lin, James Halverson fra Northeastern University i Boston anvendte disse metoder til at identificere en klasse af løsninger med vibrerende strengtilstande, der fører til det samme spektrum af fermioner (eller stofpartikler) som beskrevet af standardmodellen - inklusive egenskaben, på grund af hvilken fermioner er af tre generationer (for eksempel elektron, muon og tau er tre generationer af samme type fermioner).
F-teoriløsningerne, der blev opdaget af Tsvetik og hendes kolleger, inkluderer også partikler, der udviser chiralitet (manglende symmetri omkring højre og venstre side) af standardmodellen. I partikelfysikterminologi gengiver disse opløsninger det nøjagtige "chirale spektrum" af partikler i standardmodellen. For eksempel har kvarkerne og leptonerne i disse løsninger venstre og højre versioner, som i vores univers.
Det nye arbejde viser, at der i det mindste er en quadrillion-opløsning, hvor partikler har det samme chirale spektrum som i standardmodellen, 10 størrelsesordener flere opløsninger, end der er fundet i strengteori hidtil.”Dette er den største underklasse af standardmodelløsninger,” siger Tsvetik. "Det, der er forbløffende og pænt, er, at det hele foregår i tæt koblet strengsteori, hvor geometri hjælper os."
Quadrillion er et ekstremt stort antal, omend meget mindre end antallet af løsninger i F-teori (som til sidst tæller ca. 10.272.000). Og fordi det er et ekstremt stort antal, der forråder noget ikke-trivielt og sandt i partikelfysik i den virkelige verden, vil det blive undersøgt med den største strenghed og alvor, siger Halverson.
Yderligere udforskning vil omfatte identificering af stærkere forbindelser til partikelfysik i den virkelige verden. Forskere skal identificere forbindelserne eller interaktioner mellem partikler i F-teoriløsninger, som igen afhænger af de geometriske detaljer ved kompression af ekstra dimension.
Det er meget muligt, at der i rummet for en quadrillion-løsninger vil være nogle løsninger, der fører til forfald af en proton i overskuelig tidsskala. Dette ville klart modsige den virkelige verden, da eksperimenterne ikke afslørede nogen tegn på protonfald. Eller fysikere kunne se efter løsninger, der implementerer spektret af partikler i standardmodellen, mens de bevarer matematisk symmetri (R-paritet). Denne symmetri forbyder visse processer med nedbrydning af proton og ville være meget attraktiv set ud fra partikelfysikens synspunkt, men den er fraværende i moderne modeller.
Derudover antager dette arbejde eksistensen af supersymmetri - det vil sige at alle standardpartikler har partnerpartikler. Stringteori har brug for denne symmetri for at sikre matematiske sammenhæng mellem løsninger.
Men for enhver supersymmetri-teori, der passer til det observerbare univers, skal symmetrien brydes (ligesom at placering af bestik og et glas på venstre eller højre side ud af synkronisering ville ødelægge symmetrien i bordsætningen). Ellers vil partnerpartiklerne have den samme masse som partiklerne i standardmodellen - hvilket bestemt ikke er tilfældet, da vi ikke har set nogen sådanne partnerpartikler i vores eksperimenter.
Ilya Khel