弦理論無法解釋一切。科學家們揭示了一個不符合任何已知理論的粒子家族。

數十年來，物理學家們一直夢想著用一個統一的理論來解釋自然界所有的力。弦理論長期以來都是最有力的候選者，它提供了一個單一的數學框架，有望將量子物理學和廣義相對論結合起來。

然而，弦理論的問題在于它過于靈活，幾乎可以解釋任何現象，這使得它幾乎無法被檢驗或證偽。

現在，一項新的研究顛覆了常規思路。賓夕法尼亞大學（UPenn）的物理學家團隊沒有追問弦理論能解釋什么，而是去尋找它絕對無法解釋的東西。這使他們發現了五重態（5-plet）—— 一個奇特的由五個成員組成的粒子家族。如果通過大型強子對撞機（LHC）探測到它，可能會嚴重動搖弦理論，甚至為暗物質之謎提供線索。

“如果我們探測到五重態，那就是雙重勝利。我們既證偽了弦理論的關鍵預測，同時也揭開了關于暗物質的新線索，”該研究的作者之一、賓夕法尼亞大學博士生麗貝卡·希克斯（Rebecca Hicks）說道。

追尋弦理論的局限

當前物理學的基礎建立在兩大理論上。首先是標準模型（Standard Model），它解釋了所有已知粒子以及四種基本力中的三種（電磁力、強核力和弱核力）。其次是愛因斯坦的廣義相對論（general relativity），它描述了引力以及時空的形態。

然而，這兩大理論因其使用的數學語言不同而無法統一。弦理論試圖解決這個問題。它設想所有粒子都是微小的振動弦，并暗示空間存在額外的隱藏維度，總數可能多達10維或11維。雖然其數學形式非常優美，但該理論難以驗證。

它的預測通常涉及的能量遠高于我們當前實驗（如大型強子對撞機）所能達到的水平。這就是為什么該研究的作者采用了不同的方法。他們尋找的是在任何已知版本的弦理論中都無法產生的粒子模式。

在他們的搜尋過程中，他們發現了一個缺失項 —— 一個由五個相關粒子組成的特定群體，稱為五重態（5-plet）。這些群體類似于常見粒子家族（如二重態，即像電子及其中微子這樣的成對粒子）的“大表哥”。

五重態中包含一種被稱為馬約拉納費米子（Majorana fermion）的粒子，這種粒子是其自身的反粒子。研究人員檢索了弦理論中所有已知的構造，但未能找到任何一種能產生這種五成員結構的模型。“我們翻遍了所有的工具箱，這個五件套組合就是從未出現過，”該研究的另一位作者、賓夕法尼亞大學理論物理學家喬納森·赫克曼（Jonathan Heckman）說。

雙重影響：挑戰弦理論 & 指向暗物質

如果五重態被發現，它可能產生兩大影響。首先，這將意味著當前的弦理論模型是不完整的或錯誤的，因為它們無法解釋這種粒子的存在。這將迫使物理學家重新審視科學中最雄心勃勃的理論之一。

其次，五重態中的一種粒子（馬約拉納費米子）是暗物質（dark matter）—— 這種不可見的物質構成了宇宙中約85%的物質 —— 的一個有希望的候選者。迄今為止，暗物質從未被直接探測到，但如果五重態在合適的能量下出現并表現出預期的行為，這可能會改變現狀。

探測五重態面臨哪些障礙？

當前的挑戰在于查明這個神秘的五粒子家族是否真實存在。大型強子對撞機或許能夠創造它們，但這絕非易事。首先，這些粒子異常沉重，其質量可能高達質子的一萬倍。這意味著它們只會在能量最高的質子碰撞中才會出現。

“隨著這些粒子質量攀升至萬億電子伏特（TeV）量級，產生它們的幾率會急劇下降。大型強子對撞機必須將質子以足夠高的能量對撞，才能從純能量中憑空‘變出’這些沉重的粒子，”希克斯補充道。

其次，即使被創造出來，這些粒子也很難被探測到。它們中的大多數會幾乎立即衰變成微弱的信號，在探測器中留下消失的徑跡（disappearing tracks）。這些徑跡開始時很強，但在中途就消失了，就像雪地上突然停止的腳印。

研究作者們已經尋找過此類線索。他們使用了大型強子對撞機巨型探測器之一ATLAS的數據，并研究了以往為其他假設粒子設計的搜尋結果，重新分析了它們以尋找五重態的跡象。

目前尚未發現信號，但這幫助他們設定了一個質量下限：如果這些粒子存在，其質量必須大于650-700 GeV（吉電子伏特），這大約是希格斯玻色子質量的五倍。“這個初步結果本身就是一個強有力的陳述；它意味著更輕的五重態不存在。但更重的五重態仍然非常有可能存在，”赫克曼解釋道。

現在，研究人員計劃隨著大型強子對撞機的升級以及在未來運行中靈敏度提高而繼續搜尋。

該研究已發表在《物理評論研究》期刊上。

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