В теории струн фундаментальные частицы представляют собой одномерные объекты — струны — с характерным масштабом длины порядка $l_s \sim \sqrt{\alpha'}$, где α′ — параметр Регге, обратнопропорциональный напряжению струны $T \sim \frac{1}{2\pi\alpha'}$. Масштаб энергии, при котором струны проявляют свою внутреннюю структуру, обычно оценивается как $M_s \sim \frac{1}{\sqrt{\alpha'}}$. В типичной суперструнной теории этот масштаб близок к планковскому MPl ∼ 1019 ГэВ, хотя в рамках некоторых моделей с большими или кривыми дополнительными измерениями он может быть существенно ниже.
Существуют открытые и замкнутые струны. Открытые струны могут иметь концы, закреплённые на определённых подпространствах — D-бранах, а замкнутые струны свободны распространяться по всей десятимерной пространственно-временной структуре. Гравитон — квант гравитационного взаимодействия — всегда описывается замкнутой струной, тогда как калибровочные бозоны могут происходить из открытых струн, закреплённых на бранах.
Так как теория струн фундаментально живёт в 10 измерениях (или 11 в случае M-теории), необходимо объяснить, почему мы наблюдаем только 4 измерения (3 пространственных и 1 временное). Это достигается путём компактификации — свертывания лишних измерений на малых масштабах, обычно на многообразиях Калаби–Яу или их обобщениях. Компактифицированное пространство определяет свойства низкоэнергетической теории, включая спектр частиц, тип симметрий и калибровочные взаимодействия.
Полевая теория, возникающая после компактификации, может содержать эффективные взаимодействия, сходные с теми, что наблюдаются в Стандартной модели. Однако разнообразие возможных многообразий приводит к ландшафту вакуумов — чрезвычайно большому числу метастабильных решений, каждое из которых соответствует различной физике. Это даёт основу для исследования феноменологии струнных моделей.
Стандартная модель может быть получена как низкоэнергетический предел определённых струнных моделей. Открытые струны, закреплённые на пересечениях D-бран, могут давать фермионы с калибровочными зарядами, а соответствующие гейджевые поля — калибровочные бозоны. К примеру, стек D3- и D7-бран может реализовать gauge-группу SU(3) × SU(2) × U(1), с соответствующим спектром фермионов и бозонов, близким к Стандартной модели.
Также в струнной теории естественно возникают дополнительные U(1)-симметрии, нейтральные фермионы (кандидаты на тёмную материю) и расширенные сектора, которые в поле зрения обычной феноменологии не попадают.
Одним из привлекательных аспектов теории струн является то, что она может объяснить унификацию взаимодействий. В традиционной GUT-физике калибровочные константы трёх взаимодействий сходятся на масштабе порядка 1016 ГэВ. В струнных моделях этот масштаб может быть идентифицирован с масштабом струны Ms, либо скорректирован из-за эффектов компактификации, флюксов и других источников.
Кроме того, теория струн позволяет в принципе вычислить параметры Стандартной модели: массы фермионов, константы смешивания, структуру взаимодействий, однако на практике это требует точного выбора вакуума и решения сложных систем уравнений, включая условия на стабильность, отсутствие тахионов и аномалий.
Сверхсимметрия (SUSY) — неотъемлемый элемент суперструнных теорий. Она должна быть спонтанно нарушена на низких энергиях, чтобы не противоречить наблюдениям. Феноменология SUSY в контексте теории струн изучает возможные механизмы её нарушения: через флюксы, антибраны, эффекты каскадной компактификации и другие.
Другим важным элементом являются модули — скалярные поля, описывающие размер, форму и флюксы дополнительных измерений. Они должны быть стабилизированы, чтобы не приводить к наблюдаемым вариациям констант природы. Некоторые из этих модулей могут выступать в роли инфатонов или кандидатов на тёмную материю.
Струнные модели с большими дополнительными измерениями (ADD-модель) или кривыми (RS-модель) могут понизить эффективный масштаб гравитации до масштаба ТэВ, что делает возможным наблюдение квантовых эффектов гравитации и даже микроскопических чёрных дыр на коллайдерах.
Такие модели допускают эмиссию энергии в виде гравитонов в невидимые измерения, модификацию закона гравитации на малых расстояниях, и появление новых резонансов в распределениях по массам в экспериментах на LHC.
Феноменология струнной теории тесно связана с космологией. Струнная инфляция описывает расширение ранней Вселенной за счёт движения D-бран в компактифицированном пространстве. Кроме того, струны предсказывают существование космических суперструн — одномерных объектов с макроскопическими масштабами, аналогов топологических дефектов, которые могут наблюдаться через гравитационные волны.
В струнной космологии можно получить естественное объяснение малости космологической постоянной через механизм Ландау-Гинзбургских вакуумов и флюкс-компактификаций (например, механизм KKLT), а также описать этап reheating через аннигиляцию струн и брани.
Несмотря на высокие энергии, при которых явно проявляются струнные степени свободы, теория струн предсказывает ряд феноменов, потенциально доступных современным и будущим экспериментам:
Даже в отсутствие прямых подтверждений, теория струн остаётся мощным инструментом для организации знаний о возможной высокоэнергетической физике за пределами Стандартной модели, объединяя гравитацию, калибровочные теории и геометрию в единую математически строгую структуру.