弦理论无法解释一切。科学家们揭示了一个不符合任何已知理论的粒子家族。

数十年来，物理学家们一直梦想着用一个统一的理论来解释自然界所有的力。弦理论长期以来都是最有力的候选者，它提供了一个单一的数学框架，有望将量子物理学和广义相对论结合起来。

然而，弦理论的问题在于它过于灵活，几乎可以解释任何现象，这使得它几乎无法被检验或证伪。

现在，一项新的研究颠覆了常规思路。宾夕法尼亚大学（UPenn）的物理学家团队没有追问弦理论能解释什么，而是去寻找它绝对无法解释的东西。这使他们发现了五重态（5-plet）—— 一个奇特的由五个成员组成的粒子家族。如果通过大型强子对撞机（LHC）探测到它，可能会严重动摇弦理论，甚至为暗物质之谜提供线索。

“如果我们探测到五重态，那就是双重胜利。我们既证伪了弦理论的关键预测，同时也揭开了关于暗物质的新线索，”该研究的作者之一、宾夕法尼亚大学博士生丽贝卡·希克斯（Rebecca Hicks）说道。

追寻弦理论的局限

当前物理学的基础建立在两大理论上。首先是标准模型（Standard Model），它解释了所有已知粒子以及四种基本力中的三种（电磁力、强核力和弱核力）。其次是爱因斯坦的广义相对论（general relativity），它描述了引力以及时空的形态。

然而，这两大理论因其使用的数学语言不同而无法统一。弦理论试图解决这个问题。它设想所有粒子都是微小的振动弦，并暗示空间存在额外的隐藏维度，总数可能多达10维或11维。虽然其数学形式非常优美，但该理论难以验证。

它的预测通常涉及的能量远高于我们当前实验（如大型强子对撞机）所能达到的水平。这就是为什么该研究的作者采用了不同的方法。他们寻找的是在任何已知版本的弦理论中都无法产生的粒子模式。

在他们的搜寻过程中，他们发现了一个缺失项 —— 一个由五个相关粒子组成的特定群体，称为五重态（5-plet）。这些群体类似于常见粒子家族（如二重态，即像电子及其中微子这样的成对粒子）的“大表哥”。

五重态中包含一种被称为马约拉纳费米子（Majorana fermion）的粒子，这种粒子是其自身的反粒子。研究人员检索了弦理论中所有已知的构造，但未能找到任何一种能产生这种五成员结构的模型。“我们翻遍了所有的工具箱，这个五件套组合就是从未出现过，”该研究的另一位作者、宾夕法尼亚大学理论物理学家乔纳森·赫克曼（Jonathan Heckman）说。

双重影响：挑战弦理论 & 指向暗物质

如果五重态被发现，它可能产生两大影响。首先，这将意味着当前的弦理论模型是不完整的或错误的，因为它们无法解释这种粒子的存在。这将迫使物理学家重新审视科学中最雄心勃勃的理论之一。

其次，五重态中的一种粒子（马约拉纳费米子）是暗物质（dark matter）—— 这种不可见的物质构成了宇宙中约85%的物质 —— 的一个有希望的候选者。迄今为止，暗物质从未被直接探测到，但如果五重态在合适的能量下出现并表现出预期的行为，这可能会改变现状。

探测五重态面临哪些障碍？

当前的挑战在于查明这个神秘的五粒子家族是否真实存在。大型强子对撞机或许能够创造它们，但这绝非易事。首先，这些粒子异常沉重，其质量可能高达质子的一万倍。这意味着它们只会在能量最高的质子碰撞中才会出现。

“随着这些粒子质量攀升至万亿电子伏特（TeV）量级，产生它们的几率会急剧下降。大型强子对撞机必须将质子以足够高的能量对撞，才能从纯能量中凭空‘变出’这些沉重的粒子，”希克斯补充道。

其次，即使被创造出来，这些粒子也很难被探测到。它们中的大多数会几乎立即衰变成微弱的信号，在探测器中留下消失的径迹（disappearing tracks）。这些径迹开始时很强，但在中途就消失了，就像雪地上突然停止的脚印。

研究作者们已经寻找过此类线索。他们使用了大型强子对撞机巨型探测器之一ATLAS的数据，并研究了以往为其他假设粒子设计的搜寻结果，重新分析了它们以寻找五重态的迹象。

目前尚未发现信号，但这帮助他们设定了一个质量下限：如果这些粒子存在，其质量必须大于650-700 GeV（吉电子伏特），这大约是希格斯玻色子质量的五倍。“这个初步结果本身就是一个强有力的陈述；它意味着更轻的五重态不存在。但更重的五重态仍然非常有可能存在，”赫克曼解释道。

现在，研究人员计划随着大型强子对撞机的升级以及在未来运行中灵敏度提高而继续搜寻。

该研究已发表在《物理评论研究》期刊上。

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