一个瞬时湮灭粒子能否颠覆弦理论——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组合（五重态粒子），若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"径迹或许正是物理学家追寻的确凿证据。
• 早期数据缩小了搜索窗口，但下一阶段对撞机实验可能证实或证伪该理论。

物理学中存在两大无法完全融合的思想支柱。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。而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"。

在近期论文中，赫克曼与宾大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内容，转而探究其绝对无法创造的物质形态。他们的答案指向一种可能在大型强子对撞机（LHC）中出现的外来粒子。赫克曼表示，若该粒子现身，整个弦理论体系将"陷入巨大困境"。

弦理论：优势、缺陷与能耗困境

赫克曼指出，数十年来物理学家致力于寻求能调和量子力学（进而统一亚原子粒子行为）与引力的理论体系——广义相对论将引力描述为动态力，但量子框架下其本质尚未完全阐明。弦理论是统一引力与量子现象的有力候选者，它假设所有粒子（包括代表引力的假想粒子）都是微观振动弦，有望构建涵盖所有作用力与物质的单一框架。"但弦理论的缺陷在于其运行于高维数学和广阔的可能宇宙'图景'中，实验验证极其困难。"赫克曼强调，弦理论需超越人们熟知的四维时空（x, y, z 与时间）才能保持数学自洽。

"多数弦理论版本要求总共10或11个时空维度，额外维度以'蜷曲'或相互折叠的方式存在于极小尺度。"希克斯解释道。

赫克曼表示，更棘手的是弦理论的独特行为仅在极高能量下显现——"远超现有对撞机常规环境甚至可产生的能量水平"。

希克斯将其类比为观察远处物体：在日常低能量下，弦呈现为常规点状粒子，正如远距离的绳索看似单一线条。"但大幅提升能量时，你开始看到相互作用的本质——弦的振动与碰撞。"她解释，"低能量下细节消失，我们只能看到熟悉的粒子。就像远处无法分辨绳索的独立纤维，仅呈现单一平滑线条。"

因此，物理学家若想捕捉弦理论特征信号，必须推动LHC等对撞机达到更高能量，以期观测基本弦而非其低能伪装下的普通粒子。

为何向弦理论抛出它无法回应的粒子？

赫克曼认为，检验理论通常需寻找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物质真实存在，则该理论存在根本缺陷。鉴于弦理论预测范围广且多样，研究者反其道而行：是否存在弦理论无法容纳的简单粒子场景？

他们聚焦弦理论处理粒子"族"的方式——由弱核力（负责放射性衰变）规则约束的相关粒子群。典型粒子族如电子及其中微子兄弟，构成整洁的双成员组合（二重态）。弦理论可较好处理这类小型粒子族。

然而，赫克曼与希克斯发现任何已知弦理论计算均缺失一个家族：五成员粒子组合（五重态）。赫克曼比喻这如同在麦当劳点华堡套餐，"无论多具创意地搜索菜单，它永不出现。"

"我们穷尽所有工具箱，这个五成员组合始终未现踪影。"但究竟何为这种难以捉摸的五重态？

希克斯阐明这是二重态的扩展版本："五重态是其超大表亲，将五个相关粒子捆绑。"物理学家用简明数学公式（即粒子物理的食谱——拉格朗日量）概括该粒子族。该粒子本身称为马约拉纳费米子，意味着它自身即反粒子，如同双面皆头的硬币。探测到该粒子将直接违背当前弦理论模型的预测，使LHC中该特定粒子族的探测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径迹线索

希克斯指出探测五重态结构的两大障碍："产生率与隐蔽性"。在对撞机中，能量可切实转化为质量；爱因斯坦质能方程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需将质子高速对撞，从纯能量中催生这些重粒子。"希克斯援引爱因斯坦E = mc²解释，该方程直接关联能量（E）与质量（m）。"当粒子质量接近万亿电子伏特（TeV）时，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迅速衰变为近乎不可见的产物。"较重态衰变为软π介子与不可见中性粒子（X⁰）。"希克斯说，"π介子能量极低基本不可见，X⁰则径直穿过探测器。结果导致径迹在探测器中部消失，宛如雪地足迹骤停。"

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——这两个环绕碰撞中心的房屋大小"数码相机"。它们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，并指出另一激动人心的可能："五重态的中性成员或可解释暗物质——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%，科学家仍不明其本质。"若五重态质量约10 TeV（相当于一万个质子质量），则完美契合大爆炸后暗物质形成的理论。"希克斯说，"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。"

"探测到五重态将是双赢，"希克斯强调，"既能证伪弦理论关键预测，又能同步揭示暗物质新线索。"

LHC已排除的可能性

利用现有对撞机实验的ATLAS数据，团队专项搜索五重态信号。"我们重新解析了原本为'charginos'（超对称理论预测的带电假想粒子）设计的搜索方案，从中寻找五重态特征。"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，表明任何五重态粒子质量至少需达650-700 GeV（吉电子伏特），是希格斯玻色子质量的五倍。"

赫克曼阐释背景："该早期结果已是强力声明，意味着较轻五重态不存在。但更重者仍具可能性。"

未来升级版LHC实验将提供更精确检验。"我们并非期盼弦理论失败，"希克斯说，"而是在进行压力测试，施加更强检验以观其稳固性。"

"弦理论若存续，固然极好，"赫克曼表示，"若崩塌，我们将领悟自然的深刻本质。"

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·鲍姆加特与帕纳约蒂斯·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。