一个消失的粒子能否粉碎弦理论——并解释暗物质

• 宾夕法尼亚大学和亚利桑那州立大学的研究人员确定了一个独特的五粒子组合（五重态），通过在大型强子对撞机中探测到它，可能颠覆弦理论。
• 飞行途中消失的"幽灵"径迹可能是物理学家追寻的关键证据。
• 早期数据缩小了搜索范围，但下一阶段的对撞机运行可能证实——或推翻——该理论。

物理学中存在两大思想支柱却难以相容。粒子物理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："这些框架在根本上存在诸多不相容之处。"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视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"。

在近期发表的论文中，赫克曼、宾大文理学院博士生丽贝卡·希克斯及其合作者彻底颠覆了这一批判思路。作者们不再追问弦理论的预测结果，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）中现身的外来粒子。若该粒子出现，用赫克曼的话说，整个弦理论体系将"陷入巨大困境"。

弦理论：优势、缺陷与高能耗挑战

赫克曼表示，数十年来物理学家一直寻求能调和量子力学（进而延伸至亚原子粒子行为）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，该理论假设所有粒子（包括代表引力的假想粒子）皆为微小的振动弦，有望构建涵盖所有力与物质的统一框架。"但弦理论的缺陷之一在于其运作于高维数学和庞大的可能宇宙'景观'中，使得实验验证极其困难"，赫克曼指出弦理论需要超出熟悉的三维空间（x, y, z）和时间之外更多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，额外维度以某种方式'蜷缩'或相互折叠至极小尺度。"希克斯解释道。

更为棘手的是，赫克曼强调弦理论的独特行为仅在极高能量下才清晰显现——"远超出我们日常接触甚至当前对撞机所能产生的能量水平"。

希克斯将其类比为放大观察远处物体：在日常低能量下，弦如同普通点状粒子，正如远处绳索看似单一线条。"但当能量大幅提升时，你开始看到相互作用的本质——弦的振动与碰撞，"她阐述道，"低能状态下细节丢失，我们只能再次看到熟悉的粒子。就像从远处无法分辨绳索中的独立纤维，仅见一条平滑的线。"

正因如此，追寻弦理论证据的物理学家必须将对撞机（如LHC）推向更高能量，以期窥见基本弦的真貌，而非其伪装成普通粒子的低能形态。

为何向弦理论抛出它可能无法应对的粒子？

赫克曼指出，检验理论通常意味着搜寻证实其有效性的预测。但更有力的检验在于精确定位理论失效之处。若科学家发现理论禁止的事物真实存在，则该理论本质上有缺陷或不完备。鉴于弦理论的预测浩瀚多样，研究者们转而探究是否存在弦理论无法容纳的简单粒子情景。

他们聚焦于弦理论处理粒子"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组合（如电子及其中微子兄弟），构成名为"双重态"的双粒子包。弦理论能较好处理此类小型粒子家族。

然而，赫克曼和希克斯发现所有弦理论计算中明显缺失一个家族：五粒子组合（五重态）。赫克曼将其比作在麦当劳点华堡套餐，"无论你如何创新搜索菜单，它永远不会出现"。

"我们穷尽所有工具包，这个五粒子组合始终未曾显现，"赫克曼称。但这个神秘的五重态究竟是什么？

希克斯解释其为双重态的扩展版本："五重态是其超级表亲，将五个相关粒子打包组合。"物理学家用名为拉格朗日方程的简洁数学公式封装该粒子家族，这本质上是粒子物理的"食谱"。该粒子本身称为马约拉纳费米子，意味着它充当自身的反粒子，如同双面皆为正面的硬币。发现此类粒子将直接违背当前弦理论模型的预测，使得在LHC探测到这个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的线索

希克斯列举探测五重态结构的两大障碍："产生难度与微妙性"。在对撞机中，能量可切实转化为质量；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），目标粒子越重产生概率越低。

"LHC必须以足够力度使质子对撞，才能从纯能量中创造出这些重粒子，"希克斯援引爱因斯坦E = mc²解释（该公式直接关联能量[E]与质量[m]），"当粒子质量攀升至万亿电子伏特（TeV）时，其产生几率急剧下降。"

即便产生，探测也极具挑战。五重态中的带电粒子极速衰变为近乎不可见的产物。"较重态衰变为软π介子和不可见中性粒子X⁰，"希克斯说明，"π介子能量极低基本不可见，X⁰则直接穿透探测器。结果就是在探测器中部消失的径迹，如同雪地足迹突然中断。"

这些特征径迹由LHC的ATLAS（环形LHC装置的缩写）和CMS（紧凑μ子线圈）捕获——它们是环绕对撞点的房屋大小的"数码相机"。两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，协助搜寻诸如消失径迹等异常信号。

五重态对暗物质研究的重要性

希克斯指出发现五重态不仅对检验弦理论至关重要，并揭示了另一激动可能性："五重态中的中性成员可能解释暗物质——这种构成宇宙大部分物质的神秘质量。"

暗物质约占宇宙总物质的85%，但科学家仍不明其本质。"若五重态质量约10 TeV（相当于约10,000个质子质量），它恰好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景观中发挥作用。"

"若探测到五重态，将是双重胜利，"希克斯强调，"我们将证伪弦理论的关键预测，同时揭开暗物质的新线索。"

LHC已排除的可能性

利用现有对撞机运行的ATLAS数据，团队专门搜寻了五重态信号。"我们重新解析了原本为探测'带电荷微子'（超对称理论预测的假想带电粒子）设计的搜索，转而寻找五重态特征，"希克斯谈及团队对ATLAS消失径迹数据的二次分析，"目前尚无证据，这意味着任何五重态粒子质量必须不低于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：它表明较轻的五重态不存在。但更重的仍具可能性。"

未来升级版LHC实验有望实现更精确检验。"我们并非期盼弦理论失败，"希克斯表示，"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，再好不过，"赫克曼总结道，"若其崩塌，我们将洞悉自然的深层奥秘。"

乔纳森·赫克曼任宾大文理学院物理与天文系教授，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。