一个隐匿粒子能否瓦解弦理论——并解释暗物质

• 宾夕法尼亚大学与亚利桑那州立大学的研究人员锁定了一个独特的五粒子集合（五重态），若在大型强子对撞机上探测到它，可能颠覆弦理论。
• 飞行途中消失的"幽灵"径迹或许是物理学家追寻的关键证据。
• 早期数据压缩了搜索窗口，但下一阶段对撞机运行可能证实——或推翻——这一理论。

在物理学领域，存在两大思想支柱却未能完美契合。粒子物理的标准模型描述了所有已知基本粒子及三种力：电磁力、强核力和弱核力。与此同时，爱因斯坦的广义相对论则描述了引力与时空结构。

宾夕法尼亚大学理论物理学家乔纳森·赫克曼指出，这两个框架在许多方面存在根本性冲突。他解释道，标准模型将力视为粒子的动态场，而广义相对论将引力描述为平滑的时空几何结构，因此引力"无法融入物理学的标准模型"。

在近期一篇论文中，赫克曼、宾夕法尼亚大学文理学院博士生丽贝卡·希克斯及其合作者颠覆了这一批判思路。作者们不再追问弦理论的预测，转而探究其绝对无法创造的事物。他们的答案指向一种可能在大型强子对撞机（LHC）上现身的外来粒子。用赫克曼的话说，若该粒子出现，整个弦理论大厦将"陷入巨大困境"。

弦理论：优势、缺陷与高耗能特性

赫克曼表示，数十年来物理学家一直寻求能调和量子力学（进而调和亚原子粒子行为）与引力的统一理论——引力在广义相对论中被描述为动态力，但在量子语境中尚未被完全理解。弦理论是融合引力与量子现象的有力候选者，它假定所有粒子（包括代表引力的假想粒子）都是微小的振动弦，并承诺提供包含所有力与物质的统一框架。但赫克曼指出："弦理论的一个缺陷在于其运作于高维数学和庞大'宇宙景观'中，使得实验验证极其困难。"他举例说明，弦理论需要超越常见的四维（x、y、z和时间）维度才能保持数学一致性。

"多数弦理论版本要求总共10或11个时空维度，额外维度以某种形式'蜷缩'或相互折叠至极小尺度，"希克斯解释道。

赫克曼称，更棘手的是，弦理论的独特行为仅在极高能量下才会清晰显现——"远超我们通常遇到或在当前对撞机中产生的能量"。

希克斯比喻为放大观察远处物体：在日常低能量下，弦如同常规点状粒子，恰如远方绳索看似单一线条。"但当能量急剧提升时，你会开始看到相互作用的本质——弦的振动与碰撞，"她阐述道，"低能量下细节消失，我们只能重新看到熟悉粒子。就像从远处无法分辨绳索中的单根纤维，只能看见一条光滑的线。"

正因如此，搜寻弦理论特征的物理学家必须将LHC等对撞机推向更高能量，以期窥见基本弦本身，而非其低能量伪装下的普通粒子形态。

为何挑战弦理论制造其可能无法应对的粒子？

赫克曼认为，检验理论通常意味着搜寻证实其有效性的预测，但更强大的检验在于精确定位理论失效点。若科学家发现理论禁止的事物真实存在，则该理论存在根本缺陷或不完整性。鉴于弦理论预测范围广阔且变化多端，研究者转而探究是否存在弦理论无法容纳的简单粒子情景。

他们将焦点对准弦理论处理粒子"家族"的方式——这些由弱核力（负责放射性衰变）规则约束的相关粒子群。典型粒子家族是小型集合，如电子及其中微子伙伴组成的二成员"二重态"。弦理论处理这类小型粒子家族不成问题。

然而，赫克曼和希克斯发现一个显著缺席于所有已知弦理论计算的家族：五成员粒子集合，即五重态。赫克曼类比为试图在麦当劳点华堡套餐，"无论你如何创意搜索菜单，它永远不会出现"。

"我们穷尽所有工具箱，这个五成员集合始终未显现，"赫克曼说。但这个难以捉摸的五重态究竟是什么？

希克斯将其解释为二重态的扩展版："五重态是其超大号表亲，将五个相关粒子打包在一起。"物理学家用名为拉格朗日量的简洁数学公式封装该粒子家族——本质上是粒子物理的配方手册。该粒子本身称为马约拉纳费米子，意味着它自身即反粒子，如同双面皆为正面的硬币。探测到此类粒子将直接违背当前弦理论模型的预测，使得在LHC上发现该特定粒子家族成为可能颠覆弦理论的高风险检验。

五重态未被发现的原因与消失径迹线索

希克斯指出探测五重态结构的两大障碍："产生难度与信号微妙性"。在对撞机中，能量可实质转化为质量；爱因斯坦的E=mc²表明足够动能（E）可转化为全新粒子的质量（m），因此目标粒子越重，产生事件越罕见。

"LHC必须以足够力度撞击质子，从纯能量中召唤这些重粒子，"希克斯引用爱因斯坦的E=mc²解释，该公式直接将能量（E）与质量（m）关联。"当这些粒子质量攀升至万亿电子伏特量级（TeV），其产生概率急剧下降。"

即便产生，探测亦具挑战性。五重态中的带电粒子会极快衰变为近乎不可见的产物。"较重态衰变为低能π介子与不可见中性粒子X⁰，"希克斯表示，"π介子能量过低基本不可见，而X⁰会径直穿透探测器。结果就是探测器中部消失的径迹，宛若雪地足迹突止。"

这些特征径迹由LHC的ATLAS（环形LHC装置缩写）和CMS（紧凑μ子线圈）捕获——它们是环绕碰撞中心的房屋大小"数码相机"。二者位于相对碰撞点独立运行，为物理学界提供双重验证。希克斯等宾大物理学家参与ATLAS合作组，协助搜寻消失径迹等异常信号。

五重态对暗物质的重要性

希克斯称发现五重态不仅对检验弦理论至关重要，并指出另一激动人心的可能性："五重态的中性成员可能解释构成宇宙大部分物质的神秘质量——暗物质。"

暗物质约占宇宙总物质的85%，但科学家仍未知其确切成分。"若五重态质量约10TeV（约一万倍质子质量），它完美契合大爆炸后暗物质形成的理论，"希克斯表示，"即使更轻的五重态仍可能在更广阔的暗物质图景中发挥作用。"

"若探测到五重态，将是双重胜利，"希克斯说，"我们既能证伪弦理论的关键预测，又能同时获取暗物质的新线索。"

LHC已排除的范围

利用现有对撞机运行的ATLAS数据，团队专门搜索五重态信号。"我们重新解析最初为'charginos'（超对称理论预测的假想带电粒子）设计的搜索，从中寻找五重态特征，"希克斯谈及团队对再利用的ATLAS消失径迹数据的分析。"目前未发现证据，这意味着任何五重态粒子质量必须至少为650-700 GeV，是希格斯玻色子质量的五倍。"

赫克曼阐释背景："这一早期结果已是强有力声明；它表明更轻的五重态不存在。但更重的粒子仍有很大探索空间。"

未来升级版LHC实验有望提供更精准检验。"我们并非期盼弦理论失败，"希克斯强调，"而是在对其进行压力测试，施加更大压力检验其稳固性。"

"若弦理论存活，实属幸事，"赫克曼表示，"若其崩塌，我们将领悟自然的深邃奥秘。"

乔纳森·赫克曼是文理学院物理与天文学系教授，并兼任数学系教职。

丽贝卡·希克斯是宾大文理学院物理与天文学系博士生。

其他作者包括亚利桑那州立大学的马修·鲍姆加特和帕纳约蒂斯·克里斯蒂亚斯。

本研究获美国能源部（奖项号DE-SC0019470与DE-SC0013528）、美以双边科学基金会（资助号2022100）及美国国家科学基金会支持。