Physiker, die durch die "Landschaft" der Stringtheorie gewandert sind - ein Raum von Milliarden und Abermilliarden mathematischer Lösungen für eine Theorie, in der jede Lösung die Gleichungen liefert, mit denen Physiker versuchen, die Realität zu beschreiben - sind auf eine Teilmenge solcher Gleichungen gestoßen, die so viele Materieteilchen wie möglich enthalten in unserem Universum. Diese Untergruppe ist jedoch riesig: Es gibt mindestens eine Billiarde solcher Lösungen. Dies ist der größte Fund in der Geschichte der Stringtheorie.
Das Universum in der Stringtheorie
Nach der Stringtheorie werden alle Teilchen und Grundkräfte durch Vibrieren winziger Saiten erzeugt. Aus mathematischen Gründen vibrieren diese Saiten in der 10-dimensionalen Raumzeit. Und um mit unserer üblichen alltäglichen Erfahrung der Existenz im Universum mit drei räumlichen und einer zeitlichen Dimension übereinzustimmen, werden die zusätzlichen sechs Dimensionen "verdichtet", so dass sie nicht erkannt werden können.
Unterschiedliche Verdichtungen führen zu unterschiedlichen Lösungen. In der Stringtheorie bezieht sich „Lösung“auf das Vakuum der Raumzeit, das von Einsteins Gravitationstheorie in Kombination mit der Quantenfeldtheorie bestimmt wird. Jede Lösung beschreibt ein einzigartiges Universum mit eigenen Partikeln, fundamentalen Kräften und anderen definierenden Eigenschaften.
Einige Stringtheoretiker haben sich darauf konzentriert, Wege zu finden, um die Stringtheorie mit den Eigenschaften unseres bekannten beobachtbaren Universums in Beziehung zu setzen - insbesondere dem Standardmodell der Teilchenphysik, das alle bekannten Teilchen und Kräfte außer der Schwerkraft beschreibt.
Ein Großteil dieser Bemühungen stammt aus einer Version der Stringtheorie, in der Strings schwach interagieren. In den letzten zwanzig Jahren hat ein neuer Zweig der Stringtheorie namens F-Theorie es den Physikern jedoch ermöglicht, mit stark wechselwirkenden oder eng gekoppelten Saiten zu arbeiten.
"Die interessanten Ergebnisse sind, dass wir, wenn die Beziehung groß ist, beginnen können, die Theorie sehr geometrisch zu beschreiben", sagt Miriam Tsvetik von der University of Pennsylvania in Philadelphia.
Werbevideo:
Dies bedeutet, dass Stringtheoretiker algebraische Geometrie verwenden können, bei der algebraische Techniken zur Lösung geometrischer Probleme verwendet werden, um verschiedene Methoden zur Verdichtung zusätzlicher Dimensionen in der F-Theorie zu analysieren und Lösungen zu finden. Mathematiker untersuchen unabhängig voneinander einige der geometrischen Formen, die in der F-Theorie vorkommen. "Sie bieten uns Physikern eine Fülle von Werkzeugen", sagt Ling Lin, ebenfalls von der University of Pennsylvania. "Geometrie ist eigentlich sehr wichtig, es ist die 'Sprache', die die F-Theorie zu einer mächtigen Struktur macht."
Billiarden Universen
Und so verwendeten Tsvetik, Lin und James Halverson von der Northeastern University in Boston diese Methoden, um eine Klasse von Lösungen mit vibrierenden String-Modi zu identifizieren, die zu demselben Spektrum von Fermionen (oder Materieteilchen) führen, wie es im Standardmodell beschrieben ist - einschließlich der Eigenschaft, aufgrund dessen Fermionen drei Generationen haben (zum Beispiel sind Elektron, Myon und Tau drei Generationen derselben Art von Fermionen).
Zu den von Tsvetik und ihren Kollegen entdeckten F-Theorie-Lösungen gehören auch Partikel, die eine Chiralität (mangelnde Symmetrie auf der rechten und linken Seite) des Standardmodells aufweisen. In der Teilchenphysik-Terminologie reproduzieren diese Lösungen das genaue "chirale Spektrum" von Teilchen im Standardmodell. Zum Beispiel haben die Quarks und Leptonen in diesen Lösungen wie in unserem Universum eine linke und eine rechte Version.
Die neue Arbeit zeigt, dass es mindestens eine Billiarde Lösungen gibt, in denen Teilchen das gleiche chirale Spektrum wie im Standardmodell haben, 10 Größenordnungen mehr Lösungen als bisher in der Stringtheorie gefunden. „Dies ist bei weitem die größte Unterklasse von Standardmodelllösungen“, sagt Tsvetik. "Was erstaunlich und schön ist, ist, dass alles in der eng gekoppelten Stringtheorie liegt, wo uns die Geometrie hilft."
Billiarden sind eine extrem große Zahl, wenn auch viel weniger als die Anzahl der Lösungen in der F-Theorie (die zuletzt etwa 10.272.000 beträgt). Und weil es sich um eine extrem große Zahl handelt, die etwas nicht Triviales und Wahres in der Teilchenphysik in der realen Welt verrät, wird es mit äußerster Genauigkeit und Ernsthaftigkeit untersucht, sagt Halverson.
Weitere Untersuchungen werden die Identifizierung stärkerer Verbindungen zur Teilchenphysik in der realen Welt umfassen. Die Forscher müssen die Verbindungen oder Wechselwirkungen zwischen Partikeln in F-theoretischen Lösungen identifizieren, die wiederum von den geometrischen Details der Verdichtung zusätzlicher Dimensionen abhängen.
Es ist durchaus möglich, dass es im Raum einer Billiarde Lösungen einige Lösungen gibt, die in absehbaren Zeitskalen zum Zerfall eines Protons führen. Dies würde der realen Welt eindeutig widersprechen, da die Experimente keine Anzeichen eines Protonenzerfalls zeigten. Oder Physiker könnten nach Lösungen suchen, die das Teilchenspektrum des Standardmodells implementieren und gleichzeitig die mathematische Symmetrie (R-Parität) beibehalten. Diese Symmetrie verbietet bestimmte Prozesse des Protonenzerfalls und wäre aus Sicht der Teilchenphysik sehr attraktiv, fehlt jedoch in modernen Modellen.
Darüber hinaus geht diese Arbeit von der Existenz von Supersymmetrie aus - das heißt, alle Standardpartikel haben Partnerpartikel. Die Stringtheorie benötigt diese Symmetrie, um die mathematische Konsistenz der Lösungen sicherzustellen.
Damit jedoch eine Supersymmetrietheorie in das beobachtbare Universum passt, muss die Symmetrie gebrochen werden (genau wie das nicht synchronisierte Platzieren von Besteck und einem Glas auf der linken oder rechten Seite die Symmetrie der Tabelleneinstellung brechen würde). Andernfalls haben die Partnerpartikel die gleiche Masse wie die Partikel des Standardmodells - was definitiv nicht der Fall ist, da wir in unseren Experimenten keine solchen Partnerpartikel gesehen haben.
Ilya Khel
