Новый теоретический подход воспроизводит ключевые элементы струнной теории, начиная всего с двух общих свойств рассеяния частиц — без прямого предположения о существовании струн
Учёные из Калифорнийского технологического института, а также их коллеги из Нью-Йоркского университета и Института физики высоких энергий в Барселоне предложили новый теоретический подход, который приводит к ключевым структурам теории струн, не предполагая её заранее.
Теория струн предполагает, что все элементарные частицы представляют собой колебания чрезвычайно малых одномерных объектов — «струн». Разные способы колебаний таких струн соответствуют различным частицам, включая гипотетический гравитон — переносчик гравитационного взаимодействия. Однако проверить теорию экспериментально крайне сложно из-за недостижимых энергий, необходимых для наблюдений.
В новой работе исследователи применили bootstrap-подход — метод, в котором исходят не из конкретной модели, а из минимального набора общих физических требований и затем выясняют, какие математические структуры из них следуют.
Отправной точкой стали два предположения о поведении частиц при высокоэнергетических столкновениях. Первое — так называемая «ультрамягкость»: вероятность взаимодействия частиц при очень высоких энергиях должна резко уменьшаться, чтобы избежать математических расходимостей, возникающих в квантовой теории гравитации. Второе — принцип «минимальных нулей», требующий минимально возможного числа точек, в которых вероятность взаимодействия строго обращается в нуль.
Исходя из этих условий, учёные показали, что единственная согласованная математическая структура, удовлетворяющая этим требованиям, воспроизводит ключевые элементы теории струн. Среди них — бесконечный спектр частиц с возрастающими массами и спинами, а также характерная «лестница состояний», описывающая вероятности столкновения и рассеяния элементарных частиц (адронов) на высоких энергиях и известная как спектр Венециано, впервые предложенный в конце 1960-х годов.
Именно этот спектр позже был интерпретирован как проявление гармоник колеблющейся струны: подобно тому как струна музыкального инструмента даёт основной тон и набор обертонов, квантовая «струна» порождает набор частиц с различными параметрами.
Ключевой результат работы заключается в том, что структура самой теории струн «вытекает» из минимальных требований к поведению амплитуд рассеяния — вероятностей различных исходов столкновений частиц. Это позволяет получить те же закономерности, которые ранее рассматривались как исходные постулаты теории струн.
При этом работа не является экспериментальным подтверждением теории. Она показывает лишь, что при определённом наборе базовых условий математическая структура, совпадающая с ней, возникает неизбежно.
Авторы отмечают, что bootstrap-подход исторически восходит к работам 1960-х годов, связанным с попытками описать спектры частиц через самосогласованные условия, без фундаментальных моделей. Новый результат фактически возрождает этот подход, но на современных математических инструментах.
Если такой подход окажется плодотворным, то он может стать одним из способов продвижения к более общей теории квантовой гравитации — области, где до сих пор не существует экспериментально подтверждённого решения, объединяющего квантовую механику и общую теорию относительности.