Fysikere som har vandret "landskapet" i strengteori - et rom med milliarder og milliarder matematiske løsninger på en teori der hver løsning gir likningene som fysikere prøver å beskrive virkeligheten - har snublet over en undergruppe av slike ligninger som inkluderer like mange partikler av materie som det er i vårt univers. Imidlertid er denne undergruppen enorm: det er i det minste en firedobling av slike løsninger. Dette er det største funnet i historien til strengteori.
Universet i strengteori
I følge strengteori genereres alle partikler og grunnleggende krefter ved å vibrere bittesmå strenger. For matematisk konsistens, vibrerer disse strengene i 10-dimensjonal romtid. Og for konsistens med vår vanlige hverdagslige opplevelse av tilværelsen i universet, med tre romlige og en tidsdimensjoner, blir de seks ekstra dimensjonene "komprimert" slik at de ikke kan oppdages.
Ulike komprimeringer fører til forskjellige løsninger. I strengteori refererer “løsning” til vakuumet i romtid, som styres av Einsteins teori om tyngdekraft kombinert med kvantefeltteori. Hver løsning beskriver et unikt univers, med sitt eget sett med partikler, grunnleggende krefter og andre definerende egenskaper.
Noen strengteoretikere har fokusert sin innsats på å prøve å finne måter å relatere strengteori til egenskapene til vårt kjente observerbare univers - spesielt Standardmodellen for partikkelfysikk, som beskriver alle kjente partikler og krefter unntatt tyngdekraften.
Mye av denne innsatsen kommer fra en versjon av strengteori der strengene samvirker svakt. I løpet av de siste tjue årene har en ny gren av strengteori kalt F-teori imidlertid tillatt fysikere å jobbe med sterkt samspill - eller tett koblede - strenger.
"De interessante resultatene er at når forholdet er stort, kan vi begynne å beskrive teorien veldig geometrisk," sier Miriam Tsvetik ved University of Pennsylvania i Philadelphia.
Salgsfremmende video:
Dette betyr at strengteoretikere kan bruke algebraisk geometri - som bruker algebraiske metoder for å løse geometriske problemer - for å analysere forskjellige måter å komprimere ekstra dimensjoner i F teori og finne løsninger. Matematikere studerer uavhengig av noen av de geometriske formene som fremkommer i F-teori. "De gir oss fysikere et vell av verktøy," sier Ling Lin, også fra University of Pennsylvania. "Geometri er faktisk veldig viktig, det er" språket "som gjør F-teorien til en kraftig struktur."
Firedeler av universer
Og så Tsvetik, Lin, James Halverson fra Northeastern University i Boston brukte disse metodene for å identifisere en klasse av løsninger med vibrerende strengmoduser som fører til det samme spekteret av fermioner (eller materiepartikler) som beskrevet av standardmodellen - inkludert eiendommen, på grunn av hvilke fermioner er av tre generasjoner (for eksempel elektron, muon og tau er tre generasjoner av samme type fermioner).
F-teoriløsningene som ble oppdaget av Tsvetik og hennes kolleger, inkluderer også partikler som viser chiralitet (mangel på symmetri om høyre og venstre side) av standardmodellen. I partikkelfysikkterminologi gjengir disse løsningene det eksakte "chirale spekteret" av partikler i standardmodellen. For eksempel har kvarkene og leptonene i disse løsningene venstre og høyre versjoner, som i vårt univers.
Det nye arbeidet viser at det i det minste finnes en kvadrillion løsninger der partikler har det samme chirale spekteret som i standardmodellen, 10 størrelsesordener flere løsninger enn det som er funnet i strengteori så langt. "Dette er den klart største underklassen av standardmodelløsninger," sier Tsvetik. "Det som er fantastisk og fint, er at det hele er i tett koblet strengsteori der geometri hjelper oss."
Kvadrillion er et ekstremt stort antall, om enn mye mindre enn antall løsninger i F-teori (som til sist er ca. 10 272 000). Og fordi det er et ekstremt stort antall, som forråder noe ikke-trivielt og sant i partikkelfysikk i den virkelige verden, vil det bli studert med den største strenghet og alvor, sier Halverson.
Ytterligere utforskning vil omfatte identifisering av sterkere koblinger til partikkelfysikk i den virkelige verden. Forskere må identifisere sammenhenger eller interaksjoner mellom partikler i F-teoriløsninger, som igjen er avhengige av de geometriske detaljene i kompresjon av ekstra dimensjoner.
Det er godt mulig at det i løpet av en firedelingsløsninger vil være noen løsninger som fører til forfall av et proton i forutsigbare tidsskalaer. Dette ville klart motsi den virkelige verden, siden eksperimentene ikke avslørte noen tegn på protonforfall. Eller fysikere kunne se etter løsninger som implementerer spekteret av partikler i standardmodellen, mens de bevarer matematisk symmetri (R-paritet). Denne symmetrien forbyr visse prosesser med protonforfall og vil være veldig attraktiv med tanke på partikkelfysikk, men den er fraværende i moderne modeller.
I tillegg forutsetter dette arbeidet eksistensen av supersymmetri - det vil si at alle standardpartikler har partnerpartikler. Strengteori trenger denne symmetrien for å sikre matematisk konsistens av løsninger.
Men for enhver supersymmetri-teori som passer til det observerbare universet, må symmetrien brytes (akkurat som å plassere bestikk og et glass på venstre eller høyre side ut av synk, ville ødelegge symmetrien i tabellinnstillingen). Ellers vil partnerpartiklene ha den samme massen som partiklene i Standard Model - noe som absolutt ikke er tilfelle, siden vi ikke har sett noen slike partnerdeler i våre eksperimenter.
Ilya Khel
