Fizičari koji su lutali „krajolikom“teorije struna - prostorom milijardi i milijardi matematičkih rješenja teoriji u kojoj svako rješenje pruža jednadžbe kojom fizičari pokušavaju opisati stvarnost - naišli su na podskup takvih jednadžbi koje uključuju onoliko čestica materije u našem svemiru. Međutim, ovaj je podskup ogroman: postoji barem četvorilion takvih rješenja. Ovo je najveće otkriće u povijesti teorije struna.
Svemir u teoriji struna
Prema teoriji struna, sve čestice i osnovne sile nastaju vibrirajući sićušne žice. Zbog matematičke konzistentnosti, ovi žice vibriraju u 10-dimenzionalnom prostornom vremenu. A za dosljednost našem uobičajenom svakodnevnom iskustvu postojanja u Svemiru, s tri prostorne i jedne vremenske dimenzije, dodatnih šest dimenzija su "zbijene" tako da ih se ne može prepoznati.
Različita zbijanja dovode do različitih rješenja. U teoriji struna, "rješenje" se odnosi na vakuum svemira, kojim upravlja Einsteinova teorija gravitacije u kombinaciji s teorijom kvantnog polja. Svako rješenje opisuje jedinstveni svemir, sa svojim skupom čestica, temeljnim silama i drugim definirajućim svojstvima.
Neki teoretičari struna usredotočili su svoje napore pokušavajući pronaći načine povezivanja teorije stringova sa svojstvima poznatog svemira koji je moguće promatrati - posebno Standardnim modelom fizike čestica, koji opisuje sve poznate čestice i sile, osim gravitacije.
Veliki dio tog napora proizlazi iz verzije teorije struna u kojoj žice slabo djeluju. U proteklih dvadeset godina, međutim, nova grana teorije struna nazvana F-teorija omogućila je fizičarima da rade s snažno uzajamnim interakcijama ili s njima čvrsto povezani.
"Zanimljivi rezultati su da kada je veza velika, možemo teoretički opisati teoriju vrlo geometrijski", kaže Miriam Tsvetik sa Sveučilišta u Pennsylvaniji u Philadelphiji.
Promotivni video:
To znači da teoretičari struna mogu koristiti algebarsku geometriju - koja algebarskim metodama rješava geometrijske probleme - za analizu različitih načina kompaktriranja dodatnih dimenzija u F teoriji i pronalaženje rješenja. Matematičari samostalno proučavaju neke od geometrijskih oblika koji se pojavljuju u F-teoriji. "Omogućuju nam fizičarima bogat alat", kaže Ling Lin, također sa Sveučilišta u Pennsylvaniji. "Geometrija je zapravo vrlo važna. Upravo je" jezik "F-teorija moćna struktura."
Quadrilions svemira
I tako su Tsvetik, Lin, James Halverson sa Sveučilišta Northeastern u Bostonu koristili ove metode kako bi identificirali klasu rješenja s vibrirajućim načinima struna koji dovode do istog spektra fermiona (ili čestica materije) kao što je opisano u Standardnom modelu - uključujući imovinu, zbog kojih su fermioni tri generacije (na primjer, elektroni, muon i tau su tri generacije iste vrste fermiona).
Rješenja F-teorije koje su otkrile Tsvetik i njezine kolege uključuju i čestice koje pokazuju hiralnost (nedostatak simetrije s desne i lijeve strane) Standardnog modela. U terminologiji fizike čestica, ova rješenja reproduciraju točan "kiralni spektar" čestica u Standardnom modelu. Na primjer, kvarkovi i leptoni u ovim rješenjima imaju lijevu i desnu verziju, kao u našem svemiru.
Novo djelo pokazuje da postoje barem kvadrilijalne otopine u kojima čestice imaju isti kiralni spektar kao u Standardnom modelu, 10 redova veličine više rješenja nego što je dosad pronađeno u teoriji struna. "Ovo je daleko najveći podrazred rješenja Standardnog modela", kaže Tsvetik. "Ono što je nevjerojatno i lijepo je da je sve u čvrsto povezanoj teoriji stringova gdje nam geometrija pomaže."
Quadrillion je izuzetno velik broj, mada mnogo manji od broja rješenja u F-teoriji (koja, naposljetku, iznosi oko 10,272,000). A budući da je to iznimno velik broj, koji u stvarnom svijetu izdaje nešto nevijalno i istinito u fizici čestica, proučit će se s najvećom strogošću i ozbiljnošću, kaže Halverson.
Daljnje istraživanje uključivat će utvrđivanje jačih veza s fizikom čestica u stvarnom svijetu. Istraživači moraju utvrditi veze ili interakcije između čestica u F-teorijskim otopinama, koje opet ovise o geometrijskim detaljima kompaktnosti dodatnih dimenzija.
Sasvim je moguće da će se u prostoru kvadrilijuna rješenja naći neka rješenja koja će dovesti do propadanja protona u predvidivim vremenskim razmjerima. To bi jasno bilo u suprotnosti sa stvarnim svijetom, jer pokusi nisu otkrili znakove propadanja protona. Ili bi fizičari mogli tražiti rješenja koja implementiraju spektar čestica Standardnog modela, čuvajući matematičku simetriju (R paritet). Ova simetrija zabranjuje određene procese propadanja protona i bila bi vrlo atraktivna s gledišta fizike čestica, ali ona nedostaje u modernim modelima.
Pored toga, ovaj rad pretpostavlja postojanje supersimetrije - to jest, sve standardne čestice imaju partnerske čestice. Teoriji struna potrebna je ta simetrija kako bi se osigurala matematička konzistentnost rješenja.
Ali da bi bilo koja teorija o supersimetriji odgovarala svemiru koji se može promatrati, simetrija mora biti probijena (baš kao što bi postavljanje pribora za jelo i čaša s lijeve ili desne strane izvan sinkronizacije narušilo simetriju postavljanja stola). Inače će partnerske čestice imati istu masu kao i čestice Standardnog modela - što definitivno nije slučaj, jer takve eksperimentalne čestice nismo vidjeli u našim eksperimentima.
Ilya Khel