Физики из Пенсильванского университета и Университета штата Аризона ищут следы гипотетической частицы, которая может разрушить саму основу современной физики — струнную теорию. Эта редкая структура из пяти частиц, называемая «пятилетка» (5-plet), до сих пор никогда не наблюдалась и, по расчётам, просто не должна существовать в рамках струнной модели. Но если она всё же появится в экспериментах на Большом адронном коллайдере (БАК), последствия могут быть по-настоящему фундаментальными.
Ключевой признак существования 5-plet — «исчезающие треки»: частицы , которые внезапно перестают оставлять след в детекторах. Это явление может указывать на распад заряженной частицы из пятилетки на почти невидимую пару: очень мягкий пион и нейтральный «невидимка» X0, пролетающий сквозь детектор, не оставляя следа. Такая аномалия в сигнале похожа на цепочку следов в снегу, которая обрывается без объяснения.
Идея исследователей — не столько подтвердить струнную теорию, сколько проверить её пределы. Струнная теория описывает все элементарные частицы как крошечные вибрирующие струны и объединяет квантовую механику с гравитацией. Но у этой теории есть уязвимость: слишком сложная математика, потребность в 10 или 11 измерениях и невозможность проверить большинство предсказаний экспериментально.
Группа под руководством Джонатана Хекмана и аспирантки Ребекки Хикс пошла другим путём: вместо того чтобы выяснять, какие частицы может описать струнная теория, они задались вопросом — какие она описать не способна. Оказалось, что структура из пяти связанных частиц, так называемый 5-plet, вообще не возникает ни в одной из известных струнных моделей. Как отметил Хекман, это похоже на попытку заказать комбо из другого ресторана в McDonald's — как ни комбинируй доступные ингредиенты, нужного блюда просто не существует.
5-plet представляет собой расширенную версию стандартного дуэта частиц (например, электрон и нейтрино), но с пятью компонентами. Один из них — Majorana-фермион — ведёт себя как своя собственная античастица. Появление такого объекта на БАК напрямую противоречит известным струнным моделям.
Проблема в том, что такие частицы тяжелы, и чтобы создать их в коллайдере, нужны колоссальные энергии. Даже если 5-plet образуется, он распадается слишком быстро, а его продукты трудно заметить. Тем не менее, уже проведён анализ данных ATLAS, где отслеживались похожие «исчезающие» треки, как при поиске частиц-суперпартнёров — чарджинов. Пока 5-plet не найден, но это позволило исключить его существование при массе ниже 650–700 ГэВ.
Если 5-plet всё же обнаружат, это будет двойной удар: не только вызов самой струнной теории, но и потенциальный прорыв в понимании природы тёмной материи . Нейтральный компонент пятилетки идеально вписывается в модели, объясняющие формирование тёмной материи после Большого взрыва. По оценке Хикс, даже более лёгкие версии этих частиц могут быть частью загадочного « тёмного зоопарка » Вселенной.
Исследования продолжаются, а следующая серия запусков БАК даст ещё более точные данные. Как признаются сами авторы, их задача не разрушить теорию , а проверить, выдерживает ли она давление новых открытий.