En physique, il y a deux grands piliers de pensée qui ne correspondent pas tout à fait. Le modèle standard de physique des particules décrit toutes les particules fondamentales connues et trois forces: l'électromagnétisme, la forte force nucléaire et la faible force nucléaire. Pendant ce temps, la relativité générale d'Einstein décrit la gravité et le tissu de l'espace-temps.
Cependant, ces cadres sont fondamentalement incompatibles à bien des égards, explique Jonathan Heckman, physicien théorique de l'Université de Pennsylvanie. Le modèle standard traite les forces comme des champs dynamiques des particules, tandis que la relativité générale traite la gravité comme la géométrie lisse de l'espace-temps, de sorte que la gravité « ne s'intègre pas dans le modèle standard de la physique », explique-t-il.
Dans un article récent dans Recherche d'examen physiqueHeckman, Rebecca Hicks, un doctorat. L'élève de la Penn's School of Arts & Sciences, et leurs collaborateurs tournent cette critique sur sa tête. Au lieu de demander ce que la théorie des cordes prédit, les auteurs demandent ce qu'il ne peut définitivement pas créer. Leur réponse pointe vers une seule particule exotique qui pourrait apparaître au grand collision de hadrons (LHC). Si cette particule apparaît, l'ensemble de l'édifice de théorie à cordes serait, selon les mots de Heckman, « en énorme ennuis ».
Théorie des cordes: le bien, le mauvais, le bouton
Pendant des décennies, les physiciens ont recherché une théorie unifiée qui peut concilier la mécanique quantique, et par extension, le comportement des particules subatomiques, avec gravité – qui est décrite comme une force dynamique dans la relativité générale mais n'est pas entièrement comprise dans les contextes quantiques, dit Heckman.
Un bon concurrent pour épouser la gravité et les phénomènes quantiques est la théorie des cordes, qui postule que toutes les particules, y compris celles hypothétiques représentant la gravité, sont de minuscules cordes vibrantes et qui promet un seul cadre englobant toutes les forces et la matière.
« Mais l'un des inconvénients de la théorie des cordes est qu'il opère dans des mathématiques de grande dimension et un vaste » paysage « d'univers possibles, ce qui rend le fiendhance à tester expérimentalement », dit Heckman, pointant la façon dont la théorie des cordes nécessite plus que les quatre dimensions familières – x, y, z, et le temps – à être mathématiques.
« La plupart des versions de la théorie des cordes nécessitent un total de 10 ou 11 dimensions d'espace-temps, les dimensions supplémentaires étant en quelque sorte » recroquevillé « ou se repliant les uns sur les autres à des échelles extrêmement petites », explique Hicks.
Pour rendre les choses encore plus délicates, les comportements distinctifs de la théorie des cordes ne se révèlent clairement que dans d'énormes énergies, « celles bien au-delà de ce que nous rencontrons généralement ou même générant dans des colliders actuels », dit Heckman.
Hicks le compare à zoomer sur un objet lointain: à des énergies inférieures de tous les jours, les cordes ressemblent à des particules de ponctuel régulières, tout comme une corde lointaine peut sembler être une seule ligne.
« Mais lorsque vous montez la voie énergétique, vous commencez à voir les interactions comme elles le sont vraiment – des cordes vibrant et entre en collision », explique-t-elle. « Aux énergies inférieures, les détails se perdent, et nous voyons à nouveau les particules familières. C'est comme à quel point de loin, vous ne pouvez pas distinguer les fibres individuelles dans la corde. Vous voyez juste une seule ligne lisse. »
C'est pourquoi les physiciens qui chassent des signatures de la théorie des cordes doivent pousser leurs collideurs – comme le LHC – à des énergies toujours plus élevées, espérant avoir des aperçus de chaînes fondamentales plutôt que de simplement leurs déguisements à faible énergie en particules ordinaires.
Pourquoi servir la théorie des cordes une particule qu'elle ne pourra probablement pas revenir?
Tester une théorie signifie souvent la recherche de prédictions qui confirment sa validité. Mais un test plus puissant, dit Heckman, est de trouver exactement où une théorie échoue. Si les scientifiques découvrent que quelque chose qu'une théorie interdit réellement, la théorie est fondamentalement incomplète ou défectueuse.
Parce que les prédictions de la théorie de String sont vastes et variées, les chercheurs ont plutôt demandé s'il y avait un scénario de particules simples que la théorie des cordes ne peut tout simplement pas s'adapter.
Ils se sont concentrés sur la façon dont la théorie des cordes traite des «familles» des particules, des groupes de particules apparentées liés par les règles de la faible force nucléaire, responsable de la décroissance radioactive. En règle générale, les familles de particules sont de petits forfaits, comme l'électron et son frère neutrino, qui forment un paquet de deux membres bien rangé appelé Doublet. La théorie des cordes gère assez bien ces modestes familles de particules, sans problème.
Cependant, Heckman et Hicks ont identifié une famille qui est visiblement absente de tout calcul connu basé sur des chaînes: un ensemble de particules de cinq membres ou un 5 plet. Heckman compare cela à essayer de commander un whopper repas chez McDonald's: « Peu importe la façon dont vous recherchez de manière créative le menu, il ne se matérialise jamais. »
« Nous avons parcouru toutes les boîtes à outils que nous avons, et ce package de cinq membres n'apparaît jamais », explique Heckman.
Mais qu'est-ce que cette insaisissable est insaisissable?
Hicks l'explique comme une version élargie du doublet: « Le 5 plet est son cousin surdimensionné, emballant cinq particules connexes ensemble. »
Les physiciens encapsulent cette famille de particules dans une formule mathématique concise connue sous le nom de Lagrangien, essentiellement le livre de cuisine des particules-physiques. La particule elle-même est appelée majorana fermion, ce qui signifie qu'elle agit comme son propre antiparticule, semblable à une pièce qui a des têtes des deux côtés.
L'identification d'une telle particule contrediserait directement ce que les modèles de théorie des cordes actuels prédisent sont possibles, ce qui rend la détection de cette famille de particules spécifique au LHC un test à enjeux élevés, qui pourrait potentiellement casser la théorie des chaînes.
Pourquoi un 5 plet n'a pas été repéré et l'indice de piste de fuite
Hicks cite deux obstacles majeurs pour repérer ces structures à 5 plet: «production et subtilité».
Dans un collision, l'énergie peut littéralement se transformer en masse; E = MC² d'Einstein dit que suffisamment de punch cinétique (e) peuvent être convertis en heft (m) de particules nouvelles, donc plus la carrière est lourde, l'événement de création plus rare.
« Le LHC doit claquer les protons ensemble assez fort pour évoquer ces particules lourdes à partir de l'énergie pure », explique Hicks, citant E = Mc² d'Einstein, qui relie directement l'énergie (E) à la masse (M). « Alors que les masses de ces particules grimpent vers un billion d'électrons volts, les chances de les créer tombent considérablement. »
Même si elle est produite, la détection est difficile. Les particules chargées de la décroissance à 5 plets sont très rapidement dans des produits presque invisibles.
« Les états plus lourds se décomposent en un pion doux et une particule neutre invisible, zéro (x0) », explique Hicks. « Le pion est si basse énergie qu'il est fondamentalement invisible, et X0 passe directement.
Ces pistes de signature sont récupérées par l'atlas de LHC (abréviation d'un appareil Toroidal LHC) et CMS (solénoïde de muon compact), des « caméras numériques » de la taille d'une maison enroulées autour du centre de collision. Ils sont assis à des points de collision opposés et opèrent indépendamment, donnant à la communauté physique deux ensembles d'yeux sur chaque grande découverte. Les physiciens de Penn comme Hicks font partie de la collaboration Atlas, aidant à effectuer les recherches qui recherchent des signaux originaux comme la disparition des pistes.
Pourquoi un 5 plet compte pour la matière noire
Hicks dit que trouver le 5-Plet n'est pas seulement important pour tester la théorie des cordes, pointant une autre possibilité passionnante: « Le membre neutre du 5-plet pourrait expliquer la matière noire, la masse mystérieuse met en forme la majeure partie de la matière de notre univers. »
La matière noire représente environ 85% de toutes les matières dans l'univers, mais les scientifiques ne savent toujours pas exactement ce que c'est.
« Si le 5-plet pèse environ 10 TEV – environ 10 000 masses de protons – cela correspond parfaitement aux théories sur la formation de Dark Matter après le Big Bang », explique Hicks. « Même des 5 plis plus légers pourraient encore jouer un rôle dans le cadre d'un paysage plus large de la matière noire. »
« Si nous détectons un 5 plet, c'est une double victoire », explique Hicks. « Nous aurions réfuté les prédictions clés de la théorie des cordes et avons simultanément découvert de nouveaux indices sur la matière noire. »
Ce que le LHC a déjà exclu
En utilisant les données de l'atlas existantes de Collider Runs, l'équipe a recherché spécifiquement les signaux à 5 plet. « Nous avons réinterprété les recherches conçues à l'origine pour les » Charginos « – des particules chargées hypothétiques prédites par la supersymétrie – et recherchons des signatures de 5 plet », dit Hicks à propos de la recherche de l'équipe à travers les données de la voie de la voie de la voie réutilisée. « Nous n'avons encore trouvé aucune preuve, ce qui signifie qu'une particule à 5 plet doit peser au moins 650–700 GEV, cinq fois plus lourde que le boson de Higgs. »
Pour le contexte, Heckman dit: « Ce résultat précoce est déjà une déclaration forte; cela signifie que les 5 plis plus légers n'existent pas. Mais les plus lourds sont encore très sur la table. »
Les recherches futures avec des expériences LHC améliorées promettent des tests encore plus nets. « Nous n'enrachons pas l'échec de la théorie des cordes », explique Hicks. « Nous le testons au stress, appliquant plus de pression pour voir si cela tient. »
« Si la théorie des cordes survit, fantastique », dit Heckman. « Si cela se précipite, nous apprendrons quelque chose de profond sur la nature. »
