Ученые из Калифорнийского технологического института, Нью-Йоркского университета и Института физики высоких энергий в Барселоне представили новый теоретический подход, который позволяет получить фундаментальные структуры теории струн без ее изначального предположения.
Согласно теории струн, все элементарные частицы являются колебаниями микроскопических одномерных объектов — струн. Различные типы колебаний порождают разные частицы, в том числе гипотетический гравитон, отвечающий за гравитационное взаимодействие. Тем не менее, экспериментальная проверка этой теории крайне затруднена из-за недостижимых для современных приборов энергий.
В рамках нового исследования ученые применили bootstrap-подход. Данный метод строится не на готовой физической модели, а на базовых требованиях и ограничениях, из которых выводятся допустимые математические структуры.
Базой для расчетов стали два условия, касающиеся поведения частиц при столкновениях на сверхвысоких энергиях. Первое условие — ультрамягкость, предполагающая резкое падение вероятности взаимодействия частиц при росте энергии, что позволяет избежать математических расходимостей в квантовой гравитации. Второе условие — принцип минимальных нулей, ограничивающий число точек, где вероятность взаимодействия равна нулю.
Основываясь на этих принципах, исследователи доказали, что единственным математически непротиворечивым решением являются структуры, присущие теории струн. В их числе — бесконечный набор частиц с увеличивающимися массами и спинами, а также спектр Венециано, описывающий амплитуды рассеяния адронов и предложенный еще в конце 1960-х годов.
Иллюстрация: Nano Banana
Исторически именно этот спектр подтолкнул физиков к идее о том, что элементарные частицы ведут себя подобно колебаниям струны музыкального инструмента, образуя основной тон и множество обертонов.
Главный итог работы состоит в том, что архитектура теории струн закономерно следует из базовых свойств амплитуд рассеяния. Это дает возможность прийти к тем же выводам без использования изначальных постулатов самой теории струн.
Авторы подчеркивают, что исследование носит чисто теоретический характер и не является экспериментальным доказательством. Тем не менее, оно демонстрирует неизбежное появление структуры теории струн при соблюдении заданных физических ограничений.
Сам bootstrap-подход берет начало в исследованиях 1960-х годов, когда физики пытались описывать свойства частиц через общие условия самосогласованности. Современные математические инструменты позволили переосмыслить этот метод на новом уровне.
Подобные разработки могут приблизить ученых к созданию полноценной теории квантовой гравитации — одной из главных нерешенных задач современной физики, призванной объединить квантовую механику и общую теорию относительности.
