Теорию струн, которую десятилетиями считали принципиально непроверяемой, впервые удалось подвергнуть строгой экспериментальной проверке. Физики из Королевского колледжа Лондона вместе с коллегами разработали инструменты искусственного интеллекта, объединяющие статистику и машинное обучение, и использовали популярного кандидата в тёмную материю — аксион — чтобы протестировать дополнительные измерения пространства, лежащие в основе теории струн.

Идея, которая никак не хотела проверяться

Теория струн приобрела известность в конце 1960-х как потенциальная «теория всего». Согласно этой идее, реальность состоит из невероятного множества вибрирующих струн, размеры которых меньше фундаментальных частиц, таких как электроны. Считается, что колебания этих струн порождают эффекты вплоть до десяти измерений, что помогает объяснить всё — от квантовой механики до гравитации и общей теории относительности, объединяя две теории, лежащие в основе большей части современной физики.

Однако ни один эксперимент не мог надёжно проверить или подтвердить теорию струн — отчасти из-за того, что ни одна машина не способна измерить четыре фундаментальные силы, составляющие мир. До сих пор.

Аксион как ключ к проверке

Чтобы создать тестовый пример для сравнения с теорией струн, команда задалась гипотетическим вопросом: если бы аксион — ведущий кандидат на роль тёмной материи, обладающий волнообразной частотой, — был обнаружен завтра, что бы это значило для теории струн?

Исследование, опубликованное в Physical Review D, моделировало две возможные массы аксиона, которые могли бы быть обнаружены двумя разными экспериментами: DM Radio и ADMX. Используя метод байесовского вывода, учёные посмотрели, какие последствия это имело бы для теории струн. Сравнивая две модели, они обнаружили: если бы был обнаружен более тяжёлый аксион, это оказало бы вполне определённое влияние на предсказанные теорией струн дополнительные измерения пространства.

Миллионы моделей — и только часть подходит

Проанализировав миллионы различных моделей, или топологий, теории струн, команда выяснила, что лишь подмножество теорий согласуется с более тяжёлым аксионом. Это означает, что при будущем обнаружении аксиона можно было бы путём строгой проверки подтвердить, что некоторые модели не работают. Такой результат получен впервые.

Доктор Дэвид Марш, научный сотрудник Эрнеста Резерфорда в Королевском колледже Лондона, сказал: «Популярное представление о том, что теорию струн нельзя экспериментально проверить, больше не соответствует действительности. В то время как предыдущие исследования проверяли лишь несколько моделей теории струн, наш вычислительный подход улучшает это с помощью строгой проверки миллионов различных моделей».

«Строгая фальсификация — ядро научного эксперимента, и, наконец применив её к теории струн, мы получили инструменты для проверки этой прославленной „теории всего“. Наконец-то соприкоснуться с экспериментом — захватывающий шаг вперёд для теоретической физики элементарных частиц».

Космологический путь к проверке

Развивая свои строгие статистические методы, команда также разработала параллельный путь проверки теории струн с использованием реальных данных. Реликтовое излучение (CMB) — это остывшее излучение, заполняющее Вселенную, которое считается остатком Большого взрыва. Однако существует небольшое расхождение между его распределением температуры и распределением газообразного водорода во Вселенной, измеренным по лесу Лайман-альфа — важному астрофизическому зонду.

Доктор Кейр Роджерс из Королевского колледжа ранее показал, что это расхождение можно объяснить, если тёмная материя была бы ультралёгкой и описывалась волновой функцией — ещё одно предсказание аксионных моделей тёмной материи.

В ходе полного анализа космологических данных CMB и леса Лайман-альфа группа разработала предсказательную модель для дополнительных измерений теории струн. Они выявили лишь крошечную горстку моделей теории струн, способных объяснить расхождение в данных.

Используя свою предсказательную модель, группа затем показала, что эта горстка моделей теории струн также предсказывает новые типы частиц, которые могли бы помочь составить сложную тёмную материю. Если бы эти новые предсказанные частицы были найдены, теория струн снова стала бы фальсифицируемой — крупный шаг вперёд для теоретической физики.

Исследование возглавил постдок Королевского колледжа Лондона доктор Мудит Джайн при финансовой поддержке исследовательского проекта Леверхульма.

Кстати, мы уже писали о том, как астрономы впервые увидели, как чёрная дыра запускает джет — это тоже пример того, как давние теоретические предсказания наконец получают наблюдательное подтверждение.