一个消失的粒子能否颠覆弦论并解释暗物质

• 宾夕法尼亚大学与亚利桑那州立大学的研究人员通过大型强子对撞机发现了一个独特的五粒子组合（五重态），这一发现可能颠覆弦理论。
• 飞行途中消失的"幽灵"轨迹或将成为物理学家追寻的关键证据。
• 早期数据缩小了搜索范围，但下一轮对撞机实验可能证实或推翻这一发现。

物理学中存在两大无法完美融合的理论支柱。粒子物理标准模型描述了所有已知基本粒子及三种作用力：电磁力、强核力与弱核力；而爱因斯坦的广义相对论则阐释了引力与时空结构。

宾夕法尼亚大学理论物理学家乔纳森·赫克曼指出，这两个框架存在根本性矛盾。标准模型将作用力视为粒子动态场，而广义相对论将引力看作时空的平滑几何形态，因此引力"无法纳入物理学的标准模型"。

在最新论文中，赫克曼与文理学院博士生丽贝卡·希克斯及其合作者转换研究思路：不再追问弦理论的预测，而是探究其绝对无法生成的现象。他们的答案指向大型强子对撞机（LHC）可能检测到的一种奇异粒子。赫克曼表示，若该粒子现身，整个弦理论体系将"陷入巨大危机"。

弦理论：优势、缺陷与高能耗困境

赫克曼解释道，数十年来物理学家一直寻求统一理论来调和量子力学（及亚原子粒子行为）与引力之间的关系——广义相对论将引力描述为动态作用力，但量子层面尚未完全理解。弦理论是统一引力与量子现象的有力候选者，该理论假设所有粒子（包括代表引力的假想粒子）都是微小振动弦，有望构建涵盖所有作用力与物质的统一框架。"但弦理论需要超过常规四维（x、y、z及时间）的数学维度才能保持自洽，其高维数学运算与多重宇宙'景观'使得实验验证极其困难。"

希克斯补充说："多数弦理论版本需要10或11个时空维度，额外维度以极微小尺度'蜷缩'或折叠。"

赫克曼指出更棘手的问题：弦理论的独特行为仅在超高能量下显现，"远超现有对撞机所能达到的范围"。

希克斯用观察远距离绳索类比：日常低能状态下，弦如同普通点状粒子，就像远处绳索看似单一线条。"但提升能量后，你开始看到弦的真实互动——振动与碰撞。低能状态下这些细节消失，我们只能看到熟悉粒子，就像无法分辨远处绳索的独立纤维。"

这正是物理学家不断推动LHC等对撞机提升能量的原因——他们希望捕捉基本弦的踪迹，而非其低能状态伪装成的普通粒子。

为何用弦理论难以解释的粒子进行验证？

赫克曼表示，验证理论通常需要寻找支持性证据，但更有效的检验是发现理论失效的临界点。若科学家发现理论禁止的现象真实存在，则该理论存在根本缺陷。鉴于弦理论预测范围过于宽泛，研究者转而探寻其无法解释的简单粒子场景。

他们聚焦弦理论处理粒子"族"的方式——这些由弱核力（负责放射性衰变）约束的相关粒子群通常以小型组合存在，如电子与其中微子组成的二重态。弦理论处理这类小型粒子族游刃有余。

但赫克曼与希克斯发现所有弦理论计算中都明显缺失的五粒子组合（五重态）。赫克曼比喻道："就像想在麦当劳点华堡套餐，无论怎么研究菜单都不可能实现。"

"我们穷尽所有工具包，这种五粒子组合始终未出现。"这种神秘的五重态究竟是什么？

希克斯解释其为二重态的扩展版："五重态是其超大版本，将五个相关粒子捆绑。"物理学家用拉格朗日量（粒子物理的'食谱'）描述该粒子族。该粒子本身是马约拉纳费米子，即自身即反粒子，如同双面都是正面的硬币。发现这种粒子将直接违背现有弦理论模型的预测，使LHC检测该粒子族成为可能颠覆弦理论的高风险实验。

五重态未被发现的原因与消失轨迹线索

希克斯指出探测五重态的两大障碍："产生条件与微妙性"。对撞机中能量可转化为质量（爱因斯坦E=mc²表明动能E能转化为质量m），目标粒子越重产生概率越低。

"LHC需要足够强度的质子对撞才能从纯能量中产生这些重粒子，"希克斯引用E=mc²解释，"当粒子质量接近1万亿电子伏特时，产生概率急剧下降。"

即便产生，探测也极具挑战。五重态中的带电粒子会迅速衰变为近乎不可见的产物。"较重态会衰变为低能π介子与不可见中性粒子X0，"希克斯说，"π介子能量过低难以检测，X0则直接穿透探测器。最终得到的是中途消失的轨迹，如同雪地足迹突然中断。"

LHC的ATLAS（环形LHC装置缩写）与CMS（紧凑μ子线圈）探测器能捕捉这些特征轨迹。这两个房屋大小的"数码相机"环绕对撞中心，独立运行提供双重验证。希克斯等宾大物理学家参与ATLAS合作组，负责搜寻消失轨迹等异常信号。

五重态对暗物质研究的意义

希克斯表示发现五重态不仅对检验弦理论重要："其电中性成员可能解释构成宇宙大部分物质的暗物质。"

暗物质约占宇宙物质的85%，但其本质仍是谜。"若五重态质量约10TeV（相当于1万倍质子质量），则完美契合大爆炸后暗物质形成理论，"希克斯说，"较轻的五重态也可能在更广阔的暗物质图景中发挥作用。"

"发现五重态将是双重胜利，"希克斯强调，"既能证伪弦理论关键预测，又能获得暗物质新线索。"

LHC已排除的可能性

团队利用现有ATLAS对撞数据专门搜索五重态信号。"我们重新解析原本设计用于搜寻超对称理论预测粒子'chargino'的数据，"希克斯谈及团队对消失轨迹数据的分析，"目前未发现证据，表明五重态粒子质量至少需达650-700GeV（希格斯玻色子的五倍）。"

赫克曼指出："该结果已具有重要价值——排除了较轻五重态存在的可能，但较重五重态仍有可能。"

未来LHC升级实验将提供更精确测试。"我们并非希望弦理论失败，"希克斯说，"而是进行压力测试以验证其可靠性。"

"若弦理论通过检验固然好，"赫克曼总结道，"若被证伪，我们将获得对自然本质的深刻认知。"

乔纳森·赫克曼任文理学院物理与天文学系教授，并兼任数学系教职。

丽贝卡·希克斯为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·鲍姆加特与帕纳吉奥蒂斯·克里斯蒂亚斯。

本研究获美国能源部（奖项编号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。