一些物理学家坚信“弦理论景观”,认为可以获得大量的数学解,并且每个解对应的方程可以描述一个宇宙。偶然地,他们发现在这些解中,有一个方程子集与我们的宇宙具有相同的粒子组成。这是一个至少有1万亿个解的解集,是迄今为止弦理论中发现的最大的解集。

在弦理论中,所有粒子和基本力都来自微小弦的振动。从数学上来说,这些弦应该在10个时空维度上振动。然而,我们只生活在三维空间和一维时间。剩下的六个维度无法被检测到,并且被“压缩”到非常小的规模。

不同的紧固方法会导致不同的解决方案。弦理论中的每个解都代表一个真空,并受耦合的爱因斯坦引力理论和量子场论的控制。每个解都描述了一个独特的宇宙,具有独特的基本粒子、基本力和其他性质。

一些弦论者试图找到弦理论和真实宇宙的特征之间的联系,特别是和粒子物理的标准模型。标准模型描述了除重力之外的所有已知粒子和所有力。

在这些尝试的弦理论模型中,弦通常是弱耦合的。然而,在过去的20年里,弦理论发展了一个新的分支,叫做F理论。利用这一新理论,科学家可以处理强相互作用或强耦合的弦。

"令人惊讶的是,强耦合下的弦理论可以用几何学来描述."宾夕法尼亚大学的Mirjam Cvetic说。

这意味着弦论者可以用代数几何来分析F理论中额外维度的压缩方式和相应的解决方案。数学家们一直在独立研究F理论中的几何形式。“他们为物理学家贡献了一个巨大的工具箱,”同样来自宾夕法尼亚大学的林绫说。"正是几何学为F理论建立了如此强大的框架."

现在,克维蒂奇、林、东北大学的詹姆斯·哈尔弗森等人已经用这种方法找到了一类弦理论的解,其中弦的振动模式可以获得与标准模型中描述的粒子相似的费米子系谱(即物质粒子)。例如,溶液中还有三代费米子(在标准模型中,电子、μ子和τ是同一类费米子的三代成员)。

Cvetic及其同事发现的理论f的解在标准模型下也有手征粒子。这些解决方案精确地再现了标准模型粒子的“手性光谱”。例如,溶液中的夸克和轻子像我们宇宙中的夸克和轻子一样是左撇子和右撇子。

新的研究表明,至少有1万亿溶液具有与标准模型中的粒子相同的手性光谱,比以前发现的溶液多10个数量级。“这是最大的一套标准模型解决方案,”克维蒂奇说。“令人惊讶的是,几何学帮助我们解决了强耦合弦理论系统中的这个问题。”

十亿相对于F理论中的景观解来说不是很大(大约1010272000)。但这仍然是一个非常大的数字,“它能帮助我们解决粒子物理学中非常重要的问题。我们应该仔细而深入地研究它。”哈尔弗森说。

进一步的研究将与现实世界中的粒子物理学建立更紧密的联系。研究人员仍然需要在F理论下研究粒子之间的耦合或相互作用,这反过来又取决于超维紧性的几何细节。

在数十亿个溶液的空间中,一些溶液的耦合可能导致质子在可观察到的时间尺度上衰变。这显然与现实不符,因为目前实验中没有质子衰变的证据。也许物理学家可以找到满足标准模型粒子谱的解,同时保持数学对称性,即R-奇偶性。这种对称性阻止了一些质子衰变过程。从粒子物理学的观点来看,它是非常吸引人的,但是它还没有出现在现有的模型中。”林说。

此外,这项工作的前提是超对称性,即所有标准模型粒子都有伴粒子。弦理论需要这种对称性来确保解的数学一致性。

然而,为了使超对称性与可观测的宇宙相一致,对称性必须被打破。否则,伴粒子的质量将与标准模型粒子相同,但显然我们从未在实验中观察到这种粒子。

至关重要的是,在大型强子对撞机(LHC)上的实验也证明,即使超对称理论是正确的,它也没有在LHC的可探测能量范围内被打破,因为LHC没有发现任何超对称粒子。

弦论者认为,超对称性只能在极高的能量下被破坏,暂时无法通过实验来实现。“弦理论的预期是在高能量下的超对称性破坏,这与LHC数据完全一致,而且是完全可能的,”哈尔弗森说。"至于能否实现,还需要进一步的分析."

尽管有许多缺陷,其他弦论者同意这项新工作。麻省理工学院的弦理论学家华盛顿·泰勒说:“这是用弦理论解释标准模型粒子特征的非常重要的一步。”

“这是一份非常好的工作,”F理论的创始人、哈佛大学的坎伦·瓦法说。“事实上,通过改变几何和拓扑,不仅可以满足爱因斯坦方程,还可以得到我们想要的粒子谱。”

然而,瓦法和泰勒还表示,目前这些解决方案还远未与标准模型完美匹配,但将是弦理论的最终目标之一。瓦法还认为,尽管线状景观的解决方案集如此之大,但总有一个独特的解决方案适合我们的世界。“我相信会有一个,”他说。然而,“要证明这一点并不容易。”