Як експериментально перевірити теорію струн науковий підхід

У Фізичному інституті ім. П.Н. Лебедєва РАН завершений цикл досліджень в області теорії струн. Отримані результати є складовою частиною досліджень, покликаних допомогти як в рішенні початкової задачі теорії - вивчення сильного взаємодії в нашому чотиривимірному просторі, і, зокрема, з'ясуванні причини того, чому кварки «не люблять самотності», так і в експериментальній перевірці самої теорії.

Теорія струн виникла в кінці 1960-х років і за наступні десятиліття стала одним з основних претендентів на роль об'єднаної теорії світобудови - «теорії всього сущого».

Вважається, що вона зможе пояснити основи будови Всесвіту або, як мінімум, властивості фундаментальних частинок і їх взаємодії.

Одним з вражаючих досягнень теорії струн є те, що ця теорія об'єднала перш непримиренні принципи загальної теорії відносності (гравітації) і квантової механіки.

Прихильники цієї теорії розглядають в якості основних елементарних об'єктів не «звичні» нам точкові електрони або кварки, а одновимірно-протяжні коливаються об'єкти, які нагадали вченим струни і подарували назву теорії. Втім, експериментально упевнитися в існуванні струн поки неможливо:

необхідної точності на багато порядків вище сьогоднішніх технічних можливостей. Це являє серйозну проблему для теорії з точки зору її доказовою, але фізики-теоретики не здаються і продовжують активно досліджувати проблему.

Говорячи спрощено, гіпотеза дозволила, розглядаючи теорію струн в рамках добре вивченою теорії збурень в 10-вимірному просторі, будувати припущення для режиму сильного зв'язку адронів в 4-вимірному просторі.

Зокрема, Малдасена припустив, що теорія струн «живе» в спеціальному десятімерном просторі, яке є прямим добутком двох мірних просторів - 5-мірної сфери і спеціального викривленого 5-мірного простору анти-де Ситтера (AdS). У останнього, названого в честь Віллема де Ситтера, є чотиривимірні межа, яка і є нашим миром.

Згідно з ідеєю Малдасени, режим сильної зв'язку в нашому 4-вимірному просторі можна співвіднести з режимом слабкого зв'язку в просторі анти-де Ситтера - роблячи обчислення відповідно до теорії обурення в теорії струн, можна зробити передбачення для режиму сильного зв'язку на кордоні простору анти-де Ситтера, тобто для нашого чотиривимірного простору.

Зокрема, такий підхід відкриває нові цікаві можливості для вивчення взаємодії кварків - опис взаємодій, що утримують кварки разом, до сих пір не ясно.

Основним методом вивчення гіпотези Малдасени є обчислення так званого «ефективного дії» для полів в просторі AdS. Ефективне дію дозволяє визначити кореляційні функції струмів в нашому 4-вимірному просторі і, в принципі, перевірити гіпотезу Малдасени. Останні кілька років Руслан Мецаєв займався проблемою обчислення ефективної дії.

«У нашому світі є поля, які представлені нейтронами, електронами, фотонами. Ці поля характеризуються, крім іншого, спіном і масою. У просторі AdS теж існують поля, які також характеризуються масою і спіном, там також можна ввести ці поняття. Так ось в теорії струн значення спина можуть бути будь-якими, в тому числі - дискретними, тобто цілими або напівцілим, будь-якими. І для цих полів я займаюся обчисленням ефективної дії. Ефективне дію дає якісь передбачення для теорії на кордоні, а точніше, дозволяє зробити передбачення для кореляційних функцій струмів, які можна намагатися перевірити в експерименті ».

ADS простір в зображенні художника Моріца Ешера. Картинка показує координатні, а не фізичні відстані, тобто насправді все риби однакові в розмірі (ілюстрація взята з презентації Х. Малдасени).

У виразах для кореляційних функцій є такий параметр, як конформная розмірність - Δ. Її і важливо було знайти: згодом цей показник може бути перевірений експериментально. Він залежить від маси і спина часток в AdS, і раніше дослідники, використовуючи метод ефективної дії, вирахували Δ і відповідну кореляційну функцію тільки для окремого випадку, коли маса дорівнює нулю, а спін - одиниці або двійці.

Найближче продовження роботи: спрощення методу обчислення ефективної дії, дослідження фізичних систем, для яких передбачення теорії струн можуть бути експериментально перевірені.