最近，一項發(fā)表于《物理評論研究》的研究提出：如果未來能在大型強子對撞機（LHC）中，發(fā)現(xiàn)某種特殊類型的奇特粒子，就將可能動搖整個弦理論體系的根基。這是物理學(xué)界首次嘗試用一種全新的檢驗思路，來尋找弦理論的可證偽性實驗線索。

弦理論的棘手難題

標準模型和廣義相對論是物理學(xué)中的兩大核心理論。前者描述了所有已知的基本粒子以及三種基本力——電磁力、強核力和弱核力；而后者則描述了引力以及時空的結(jié)構(gòu)。

一直以來，物理學(xué)家都在尋找一個能夠?qū)⑦@兩個理論統(tǒng)一起來的量子引力理論。弦理論是一個有力候選理論。它假設(shè)，宇宙中所有的基本粒子，包括引力的假想粒子——引力子，都是極其微小的“弦”的不同振動模式。然而，弦理論雖然提出了一個優(yōu)雅的統(tǒng)一框架，卻也面臨巨大挑戰(zhàn)。

首先，它的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，涉及10維甚至11維時空——遠超我們熟悉的四維世界（即三維空間和時間）——這些額外維度被設(shè)想為在極小尺度上“卷曲”或折疊，從而難以直接觀測。此外，它預(yù)言了可能存在許多不同的宇宙，使得它極其難以通過實驗來驗證。

更麻煩的是，弦的真正特性只有在極高能量下才能顯現(xiàn)——遠遠超出現(xiàn)有對撞機的能力范圍。在能量較低的情況下，弦看起來就像普通的點狀粒子，就好比你從遠處看一根繩子，只會看到一條一維的線。只有當能量足夠高時，我們才可能看到它們在振動、碰撞。正因如此，要捕捉這些“偽裝”成普通粒子的基本弦，物理學(xué)家必須不斷推動像LHC這樣的對撞機達到更高能量——但目前的實驗?zāi)芰θ赃h未達到揭示弦本質(zhì)的門檻。

向弦理論提出“它無法回答的問題”

通常，檢驗一個理論，意味著要去證實其預(yù)測是否正確。但在這項研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)更有力的檢驗方式是去尋找它無法應(yīng)對的場景。如果能從現(xiàn)實中發(fā)現(xiàn)一個理論明令“禁止”的事物，那就意味著這個理論從根本上是不完備的或有缺陷的。

由于弦理論可預(yù)測的情形過于豐富，因此研究人員換了個思路：有沒有某種簡單的粒子，是弦理論完全無法兼容的？

他們把目光投向了粒子“族”，也就是一組由弱核力相互關(guān)聯(lián)的粒子。例如電子與電子中微子就共同構(gòu)成了一個“雙重態(tài)”（doublet），也可以理解為“雙粒子組”。弦理論能很好地處理這類粒子組合。

但研究人員注意到，在任何已知的弦理論計算中，都沒有出現(xiàn)一種特定類型的粒子族——“五重態(tài)”（5-plet）。他們進行了所有搜索，就是找不到這種五粒子組的蹤影。

研究人員解釋，這種五重態(tài)是雙重態(tài)的擴展版本，它包含五個相互關(guān)聯(lián)的粒子。物理學(xué)家會用被稱為拉格朗日量（Lagrangian）的公式來描述這個粒子族。其中的粒子被稱為馬約拉納費米子（Majorana fermion），它的一個特點是：它是自己的反粒子。

如果能在實驗中發(fā)現(xiàn)這樣的五重態(tài)粒子，那就直接違背了目前所有弦理論模型的預(yù)測，因此它成為一個可以直接檢驗?zāi)酥磷C偽弦理論的關(guān)鍵測試目標。

“消失的軌跡”或許是線索

研究人員表示，尋找這類五重態(tài)粒子面臨著兩大主要挑戰(zhàn)：“產(chǎn)率低”和“信號太隱蔽”。

首先，根據(jù)愛因斯坦的E = mc2，能量可以轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。只要提供足夠多的動能，就可以產(chǎn)生新的、大質(zhì)量的粒子。所以，要制造的粒子越重，所需要的能量就越高，因此重粒子出現(xiàn)的幾率就會非常稀少。

更關(guān)鍵的是，即使五重態(tài)粒子真的在對撞中產(chǎn)生，也極難被探測到。五重態(tài)里的帶電粒子會迅速衰變成幾乎不可見的粒子。較重的粒子態(tài)會衰變成一個能量極低的軟π介子和一個不可見的中性粒子X?。π介子的能量低得幾乎看不見，而X?可以直接穿過探測器。最終呈現(xiàn)在探測器中的是一條在中途突然中斷的軌跡，就像雪地上的腳印突然消失了。

幸運的是，LHC的ATLAS和CMS實驗正好擅長捕捉這類“消失的軌跡”。這兩個如房子般巨大的“數(shù)字相機”分別設(shè)置在對撞點兩側(cè)，獨立運行，為每一次重要發(fā)現(xiàn)提供雙重確認。

LHC已經(jīng)排除了什么？

利用ATLAS已有的對撞數(shù)據(jù)，研究團隊專門尋找了五重態(tài)粒子的蹤跡。他們重新分析了原本用于尋找“帶電微子”（charginos，由超對稱性預(yù)測的假想帶電粒子）的數(shù)據(jù)，來尋找五重態(tài)粒子的線索。

雖然研究團隊最終未能發(fā)現(xiàn)新的證據(jù)，但這一研究為五重態(tài)粒子設(shè)定了質(zhì)量下限：任何可能存在的這類粒子，其質(zhì)量都必須不低于650–700 GeV，約為希格斯玻色子的五倍。

研究人員表示，這是一個非常有力的早期結(jié)果，說明更輕的5-plet不存在。不過更重的版本仍未排除。未來，隨著LHC升級以及其他高能實驗的推進，測試或?qū)⒆兊酶用翡J精確。

研究人員說，他們并不是想要弦理論失敗，而是在對它進行壓力測試，看看它能否經(jīng)得起考驗。他們認為，無論結(jié)果如何，我們都能從中獲得對基本物理學(xué)的更深刻認知。

#參考來源：

https://penntoday.upenn.edu/news/things-know-can-data-large-hadron-collider-snap-string-theory

https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.7.023184

#圖片來源：

封面圖&首圖：CERN