宾夕法尼亚大学的物理学家正与亚利桑那州立大学的同事们一起研究一个框架的局限性，该框架旨在统一整个宇宙的物理定律。
物理学中有两大思想支柱，但它们并不完全契合。粒子物理学的标准模型涵盖了所有已知的基本粒子和四种基本力中的三种：电磁力、强核力和弱核力。相比之下，爱因斯坦的广义相对论则将引力解释为时空几何的一种特性。
然而，宾夕法尼亚大学理论物理学家乔纳森·赫克曼表示，这两种模型并不能很好地协同工作。虽然标准模型将力描述为基于粒子的场，但广义相对论将引力解释为时空的平滑曲率。赫克曼表示，引力“并不符合物理学的标准模型”。
在最近的一项研究中，赫克曼（Heckman）与宾夕法尼亚大学文理学院的博士生丽贝卡·希克斯（Rebecca Hicks）及其合作者，对弦理论采取了不同的研究方法。他们没有问这个理论能预测什么，而是专注于它从根本上不能产生什么。他们的研究结果突显出一种可能在大型强子对撞机（LHC）上探测到的异常粒子。赫克曼说，如果观察到这种粒子，弦理论将“陷入巨大的困境”。
弦理论：好的一面，坏的一面，以及巨大的能耗
据赫克曼（Heckman）所言，多年来，物理学家们一直试图建立一种单一理论，将决定亚原子粒子行为的量子力学与广义相对论中被视为一种动态力的引力结合起来，但从量子角度来看，引力仍是一个不甚明了的概念。
弥合这一鸿沟的最有力候选理论之一是弦理论。弦理论提出，包括负责引力的理论粒子在内的所有粒子，实际上都是微小的振动弦。这一理论有望提供一个能够描述所有力和物质形态的统一框架。
“但弦理论面临的挑战之一是，它依赖于复杂的高维数学和范围广泛的可能的宇宙，这使得通过实验对其进行测试变得极其困难，”赫克曼（Heckman）解释道。该理论还需要除熟悉的四个维度（x、y、z和时间）之外的其他维度才能与数学保持一致。
希克斯（Hicks）说：“大多数弦理论形式总共包括10个或11个时空维度。人们认为，额外的维度在非常小的尺度上被压缩或‘蜷缩起来’，因此我们无法直接观察到它们。”
更复杂的是，弦理论最独特的性质只有在极高能量水平下才会显现。“这些能量远远超出我们通常处理或能用当今粒子对撞机产生的任何能量，”赫克曼（Heckman）说。
希克斯（Hicks）将这种情况比作试图看清远处物体的细节。在普通低能状态下，弦表现得像人们熟悉的点状粒子——就像从远处看一根绳子，它只是一根光滑的单线。“但是，如果你通过增加能量来放大细节，你就能看到真正发生的事情——弦的振动和相互作用，”她说，“在低能状态下，这些细微之处是不可见的，而我们所能观察到的，只是我们已经了解的基本粒子。”
正因如此，寻找弦理论证据的物理学家们才致力于将大型强子对撞机等粒子对撞机的能量提升至越来越高的水平，希望直接观测到这些弦，而不仅仅是它们以普通粒子形式出现的低能表现。
为什么弦理论要为一个很可能无法回归的粒子服务？
检验一个理论往往意味着寻找能够证实其有效性的预测。但赫克曼（Heckman）说，一个更有力的检验是找出理论失效的确切位置。如果科学家发现某个理论所禁止的事物实际上存在，那么这个理论从根本上讲就是不完整或有缺陷的。由于弦理论的预测范围广泛且多样，研究人员反而提出这样的问题：是否存在弦理论无法容纳的简单粒子情景。
他们重点关注弦理论如何处理粒子“族”——即受弱核力规则约束而结合在一起的相关粒子群，这些粒子群负责放射性衰变。通常，粒子族是小型组合，例如电子及其中微子兄弟粒子便组成一个整洁的双胞胎组合，称为双重态。弦理论能够轻松应对这些简单的粒子族，毫无问题。
然而，赫克曼（Heckman）和希克斯（Hicks）发现了一个在任何已知的基于弦的理论计算中都明显不存在的家族：一个五元粒子包，或五重态。赫克曼将其比作在麦当劳点一份皇堡套餐，“无论你在菜单上多么富有创造性地寻找，它都不会出现。”
赫克曼（Heckman）说：“我们翻遍了所有的工具箱，但从来都没找到这‘五人组合’的存在。”但究竟什么才是难以捉摸的“五人组合”呢？
希克斯（Hicks）将其解释为是双重态的扩展版，“五重态是其超大号的‘表亲’，将五个相关粒子组合在一起。” 物理学家们用一个简洁的数学公式——拉格朗日函数（本质上是粒子物理学的配方集）——概括了这个粒子家族。该粒子本身被称为马约拉纳费米子（Majorana fermion），意味着它充当自己的反粒子，就像一枚两面都是正面的硬币。 发现这样的粒子将直接与当前弦理论模型所预测的可能性相矛盾，使得在大型强子对撞机（LHC）上探测到这一特定的粒子家族成为一场风险极高的测试，这场测试有可能会颠覆弦理论。
为何尚未发现五夸克粒子以及消失轨迹的线索
希克斯（Hicks）指出了发现这些五重态结构所面临的两大障碍：“产生”和“微妙性”。在对撞机中，能量确实可以转化为质量；爱因斯坦的质能方程E = mc²表明，足够的动能（E）可以转化为全新粒子的质量（m），因此，碰撞产生的粒子越重，该事件就越罕见。
希克斯引用了爱因斯坦的方程式 E = mc²（能量等于质量乘以光速的平方），其中能量（E）与质量（m）直接相关，他解释道：“大型强子对撞机必须让质子以足够大的力度相撞，才能从纯能量中变出这些质量巨大的粒子。随着这些粒子的质量接近万亿电子伏特，创造出它们的可能性将大幅下降。”
即使能够产生五重态，探测它也具有挑战性。五重态中的带电粒子会迅速衰变成几乎不可见的产物。“较重态衰变成一个软π介子和一个不可见的中性粒子零（X0），”希克斯（Hicks）说。“π介子的能量极低，基本上不可见，X0径直穿过。结果探测器中的轨迹在中途消失，就像雪地中的足迹突然中断。”
这些特征轨迹会被大型强子对撞机 (Large Hadron Collider) 的超环面仪器 (A Toroidal LHC ApparatuS，简称ATLAS) 和紧凑缪子线圈 (Compact Muon Solenoid，简称CMS) 捕捉到，这两个“数码相机”有房子那么大，围绕在对撞中心周围。它们位于对撞点的对面，并且独立运行，这样物理学界在每次重大发现中就有了两双眼睛。希克斯 (Hicks) 等宾夕法尼亚大学的物理学家是ATLAS合作组的一部分，他们帮助搜寻消失的轨迹等奇异信号。
为何五重态对暗物质至关重要
希克斯（Hicks）说，发现五重态不仅仅对检验弦理论十分重要，他还指出了另一种令人激动的可能性：“五重态中的中性粒子能够解释暗物质，即构成我们宇宙中大部分物质的神秘物质。”
暗物质构成了宇宙中大约85%的物质，但科学家们仍不知道它究竟是什么。希克斯（Hicks）说：“如果这个五重态的质量约为10 TeV（约等于10000个质子的质量），那么它就完全符合大爆炸后暗物质形成的理论。即使更轻的五重态，在更广泛的暗物质环境中，仍然可以发挥作用。”
希克斯（Hicks）说：“如果我们探测到五重态，那就取得了双重胜利。我们既能证明弦理论的关键预测是错误的，又能同时发现关于暗物质的新线索。”
大型强子对撞机已经排除了什么
研究团队利用大型强子对撞机运行中获得的现有ATLAS数据，专门搜索五重态信号。“我们重新分析了最初为‘超伴子’（超对称理论预测的假设带电粒子）搜索设计的数据，并寻找五重态特征，”希克斯（Hicks）在谈到团队通过重新利用ATLAS消失轨迹数据进行的搜索时说道。“我们尚未发现任何证据，这意味着任何五重态粒子的质量必须至少为650–700 GeV，是希格斯玻色子的五倍。”
对此，赫克曼（Heckman）表示：“这一早期结果已经是一个强有力的说明；这意味着不存在质量较轻的五夸克态粒子。但质量较重的五夸克态粒子仍然很有可能存在。”
使用升级后的LHC实验进行的未来搜索有望带来更严格的测试。“我们并不是希望弦理论失败，”希克斯说，“我们正在进行压力测试，施加更多压力来检验它是否能成立。”
赫克曼（Heckman）说：“如果弦理论能继续存在，那就太棒了。如果它崩塌了，我们也会从中对自然界有更深刻的了解。”
参考文献：《如何在对撞机中证伪弦理论》，作者：马修·鲍姆加特、帕纳吉奥蒂斯·克里斯提亚斯、乔纳森·J·赫克曼、丽贝卡·J·希克斯，发表于2025年5月27日，《物理评论研究》。数字对象唯一标识符：10.1103/PhysRevResearch.7.023184
本研究得到了能源部（DE-SC0019470和DE-SC0013528奖项）、美国-以色列两国科学基金会（2022100号拨款）和美国国家科学基金会的支持。
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