Физика за пределами Стандартной модели

Физика за пределами Стандартной модели ( BSM ) относится к теоретическим разработкам, необходимым для объяснения недостатков Стандартной модели , таких как неспособность объяснить фундаментальные параметры стандартной модели, сильная проблема CP , нейтринные осцилляции , асимметрия материи-антивещества , и природа темной материи и темной энергии . Другая проблема заключается в математической структуре самой Стандартной модели: Стандартная модель несовместима с общей теорией относительности , и одна или обе теории терпят неудачу при определенных условиях, таких как сингулярности пространства-времени , такие как Большой взрыв и черной дыры горизонты событий .

Теории, выходящие за рамки Стандартной модели, включают различные расширения стандартной модели посредством суперсимметрии , такие как минимальная суперсимметричная стандартная модель (MSSM) и следующая за минимальной суперсимметричная стандартная модель (NMSSM), а также совершенно новые объяснения, такие как теория струн . М-теория и дополнительные измерения . Поскольку эти теории имеют тенденцию воспроизводить все современные явления, вопрос о том, какая теория является правильной или, по крайней мере, «лучшим шагом» к Теории Всего , может быть решен только посредством экспериментов и является одним из наиболее активных области исследований как в теоретической , так и в экспериментальной физике .

со

Несмотря на то, что Стандартная модель на сегодняшний день является самой успешной теорией физики элементарных частиц, она не идеальна. Большая часть опубликованных результатов физиков-теоретиков состоит из предложений по различным формам новых физических предложений «за пределами Стандартной модели», которые модифицировали бы Стандартную модель способами, достаточно тонкими, чтобы соответствовать существующим данным, но при этом устраняли бы ее несовершенства достаточно существенно, чтобы предсказать нестандартные результаты новых экспериментов, которые могут быть предложены.

Стандартная модель элементарных частиц + гипотетический Гравитон

Явления необъяснимые

Стандартная модель по своей сути является неполной теорией. В природе существуют фундаментальные физические явления, которые Стандартная модель не объясняет адекватно:

• Гравитация . Стандартная модель не объясняет гравитацию. Подход простого добавления гравитона к Стандартной модели не воссоздает то, что наблюдается экспериментально, без других, еще не обнаруженных модификаций Стандартной модели. Более того, широко распространено мнение, что Стандартная модель несовместима с самой успешной теорией гравитации на сегодняшний день — общей теорией относительности .
• Темная материя . Если предположить, что общая теория относительности и лямбда-CDM верны, космологические наблюдения говорят нам, что стандартная модель объясняет около 5% массы-энергии, присутствующей во Вселенной. Около 26% должна составлять темная материя (остальные 69% — темная энергия), которая будет вести себя так же, как и другая материя, но которая лишь слабо (если вообще взаимодействует) взаимодействует с полями Стандартной модели. Тем не менее, Стандартная модель не предлагает никаких фундаментальных частиц, которые могли бы стать хорошими кандидатами в темную материю.
• Темная энергия . Как уже упоминалось, оставшиеся 69% энергии Вселенной должны состоять из так называемой темной энергии, постоянной плотности энергии для вакуума. Попытки объяснить темную энергию с помощью энергии вакуума стандартной модели приводят к несоответствию на 120 порядков.
• Нейтринные осцилляции . Согласно Стандартной модели, нейтрино не колеблются. Однако эксперименты и астрономические наблюдения показали, что нейтринные осцилляции все же имеют место. Обычно это объясняется постулированием того, что нейтрино имеют массу. Нейтрино не имеют массы в Стандартной модели, и массовые термины для нейтрино можно добавить в Стандартную модель вручную, но это приведет к новым теоретическим проблемам. Например, массовые члены должны быть чрезвычайно малы, и неясно, возникнут ли массы нейтрино таким же образом, как массы других фундаментальных частиц в Стандартной модели. Существуют также другие расширения Стандартной модели для нейтринных осцилляций, которые не предполагают наличие массивных нейтрино, такие как нейтринные осцилляции, нарушающие Лоренц .
• Асимметрия материи-антиматерии . Вселенная состоит в основном из материи. Однако стандартная модель предсказывает, что материя и антиматерия должны были быть созданы в (почти) равных количествах, если бы начальные условия Вселенной не включали непропорциональное количество материи по отношению к антиматерии. Однако в Стандартной модели нет механизма, способного в достаточной степени объяснить эту асимметрию.

экспериментов

Ни один экспериментальный результат не считается категорически противоречащим Стандартной модели на уровне 5 σ . широко считается порогом открытия в физике элементарных частиц. Поскольку каждый эксперимент содержит некоторую степень статистической и системной неопределенности, а сами теоретические предсказания также почти никогда не рассчитываются точно и подвержены неопределенностям в измерениях фундаментальных констант Стандартной модели (некоторые из которых крошечные, а другие существенные). ), следует ожидать, что некоторые из сотен экспериментальных проверок Стандартной модели будут в некоторой степени отклоняться от нее, даже если бы не было обнаружено никакой новой физики.

В любой момент времени существует несколько экспериментальных результатов, которые существенно отличаются от предсказаний, основанных на Стандартной модели. В прошлом многие из этих расхождений считались статистическими случайностями или экспериментальными ошибками, которые исчезали по мере сбора большего количества данных или при более тщательном проведении одних и тех же экспериментов. С другой стороны, любая физика, выходящая за рамки Стандартной модели, обязательно сначала проявится в экспериментах как статистически значимое различие между экспериментом и теоретическим предсказанием. Задача – определить, в чем дело.

В каждом случае физики стремятся определить, является ли результат просто статистической случайностью или экспериментальной ошибкой, с одной стороны, или признаком новой физики, с другой. Более статистически значимые результаты не могут быть просто статистическими случайностями, но все же могут быть результатом экспериментальной ошибки или неточной оценки точности эксперимента. Часто эксперименты проводятся так, чтобы быть более чувствительными к экспериментальным результатам, которые отличают Стандартную модель от теоретических альтернатив.

Некоторые из наиболее ярких примеров включают следующее:

• Аномальный магнитный дипольный момент мюона мюона — экспериментально измеренное значение аномального магнитного дипольного момента (мюон « g − 2 » ) значительно отличается от предсказания Стандартной модели. Первоначальные результаты эксперимента Фермилаб Мюон g-2 с расхождением в 4,2 стандартных отклонения ( σ ) «усиливают доказательства новой физики».
• Распад B-мезона и т. д. - результаты эксперимента BaBar могут указывать на превышение предсказаний Стандартной модели о типе распада частицы ( B → D ^(*) т ⁻  ν _τ ) . При этом электрон и позитрон сталкиваются, в результате чего образуются B-мезон мезон антивещества и B- , которые затем распадаются на D-мезон и тау-лептон , а также тау-антинейтрино . Хотя уровень достоверности превышения (3,4 σ на статистическом жаргоне) недостаточен, чтобы объявить об отходе от Стандартной модели, результаты являются потенциальным признаком чего-то неладного и, вероятно, повлияют на существующие теории, в том числе на те, которые пытаются вывести свойства бозонов Хиггса. В 2015 году LHCb сообщил о наблюдении превышения на 2,1 σ при том же соотношении долей ветвления. Эксперимент Belle также сообщил об избытке. В 2017 году метаанализ всех доступных данных показал совокупное отклонение от SM на 5 σ .
• Аномальная масса W-бозона - результаты коллаборации CDF, опубликованные в апреле 2022 года, указывают на то, что масса W-бозона превышает массу, предсказанную Стандартной моделью, со значимостью 7 σ . В 2023 году эксперимент ATLAS опубликовал улучшенное измерение массы W-бозона, 80 360 ± 16 МэВ, что соответствует предсказаниям Стандартной модели.

не

Наблюдение на коллайдерах частиц всех фундаментальных частиц, предсказанных Стандартной моделью, было подтверждено. предсказывается Бозон Хиггса объяснением Стандартной модели механизма Хиггса , который описывает, как нарушается слабая калибровочная симметрия SU (2) и как фундаментальные частицы получают массу; это была последняя наблюдаемая частица, предсказанная Стандартной моделью. 4 июля 2012 года ЦЕРН ученые с помощью Большого адронного коллайдера объявили об открытии частицы, соответствующей бозону Хиггса, с массой около 126 ГэВ/ с. ² . Существование бозона Хиггса было подтверждено 14 марта 2013 года, хотя попытки подтвердить, что он обладает всеми свойствами, предсказанными Стандартной моделью, продолжаются.

Несколько адронов (т.е. составных частиц, состоящих из кварков ), существование которых предсказано Стандартной моделью и которые могут рождаться только при очень высоких энергиях и на очень низких частотах, еще окончательно не наблюдались, и « глюболы ». (т.е. составные частицы, состоящие из глюонов ) также еще окончательно не наблюдались. Некоторые очень низкочастотные распады частиц, предсказанные Стандартной моделью, также еще не наблюдались окончательно, поскольку для проведения статистически значимых наблюдений недостаточно данных.

Необъяснимые отношения

• Формула Койде - необъяснимое эмпирическое уравнение, отмеченное Ёсио Койде в 1981 году, а затем и другими. Он связывает массы трех заряженных лептонов : $Q={\frac {m_{e}+m_{\mu }+m_{\tau }}{{\big (}{\sqrt {m_{e}}}+{\sqrt {m_{\mu }}}+{\sqrt {m_{\tau }}}{\big )}^{2}}}=0.666661(7)\approx {\frac {2}{3}}$. Стандартная модель не предсказывает массы лептонов (они являются свободными параметрами теории). Однако значение формулы Койде, равное 2/3 в пределах экспериментальных ошибок измерения масс лептонов, позволяет предположить существование теории, способной предсказывать массы лептонов.
• Матрица CKM , если ее интерпретировать как матрицу вращения в трехмерном векторном пространстве, «вращает» вектор, состоящий из квадратных корней из масс кварков нижнего типа. $({\sqrt {m_{d}}},{\sqrt {m_{s}}},{\sqrt {m_{b}}}{\big )}$ в вектор квадратных корней из масс кварков верхнего типа $({\sqrt {m_{u}}},{\sqrt {m_{c}}},{\sqrt {m_{t}}}{\big )}$, с точностью до длины вектора, результат Козо Нисиды.
• Сумма квадратов связей Юкавы всех фермионов Стандартной модели составляет примерно 0,984, что очень близко к 1. Другими словами, сумма квадратов масс фермионов очень близка к половине квадрата вакуумного среднего значения Хиггса.
• Сумма квадратов масс бозонов (то есть бозонов W, Z и Хиггса) также очень близка к половине квадрата вакуумного среднего значения Хиггса, соотношение составляет примерно 1,004.
• Следовательно, сумма квадратов масс всех частиц Стандартной модели очень близка к квадрату вакуумного среднего Хиггса, отношение составляет примерно 0,994.

Неясно, представляют ли эти эмпирические отношения какую-либо основную физику; по словам Койде, открытое им правило «может быть случайным совпадением».

Теоретические проблемы

Некоторые функции стандартной модели добавляются специально . Это не проблемы сами по себе (т.е. теория прекрасно работает со специальными вставками), но они подразумевают отсутствие понимания. Эти надуманные особенности побудили теоретиков искать более фундаментальные теории с меньшим количеством параметров. Некоторые из изобретений:

• Проблема иерархии – стандартная модель вводит массы частиц посредством процесса, известного как спонтанное нарушение симметрии, вызванное полем Хиггса . В рамках стандартной модели масса частицы Хиггса получает очень большие квантовые поправки из-за присутствия виртуальных частиц (в основном виртуальных топ-кварков ). Эти поправки намного превышают реальную массу бозона Хиггса. Это означает, что параметр массы Хиггса в стандартной модели должен быть точно настроен таким образом, чтобы почти полностью компенсировать квантовые поправки. считают такой уровень тонкой настройки неестественным . Многие теоретики
• Количество параметров – стандартная модель зависит от 19 номеров параметров. Их значения известны из эксперимента, но происхождение значений неизвестно. Некоторые теоретики пытались найти связи между различными параметрами, например, между массами частиц в разных поколениях или вычислять массы частиц, например, в безопасности . асимптотических сценариях
• Квантовая тривиальность - предполагает, что создать последовательную квантовую теорию поля, включающую элементарные скалярные частицы Хиггса, может быть невозможно. Иногда это называют проблемой полюса Ландау .
• Сильная проблема CP — теоретически можно утверждать, что стандартная модель должна содержать член сильного взаимодействия , который нарушает CP-симметрию , вызывая несколько разные скорости взаимодействия для материи и антиматерии . Однако экспериментально такого нарушения обнаружено не было, а это означает, что коэффициент этого члена – если таковой имеется – будет подозрительно близок к нулю.

экспериментальные

Исследования экспериментальных данных по космологической постоянной , LIGO шуму и времени пульсаров показывают, что очень маловероятно существование каких-либо новых частиц с массами, намного превышающими те, которые можно найти в стандартной модели или Большом адронном коллайдере . Однако это исследование также показало, что квантовая гравитация или пертурбативная квантовая теория поля станут сильно связанными до энергии 1 ПэВ, что приведет к появлению другой новой физики в ТэВах.

Теории Великого объединения

Основная статья: Теория Великого Объединения

Стандартная модель имеет три калибровочные симметрии ; цвет U SU(3) , слабый изоспин SU(2) и слабая симметрия гиперзаряда (1) , соответствующие трем фундаментальным силам. Из-за перенормировки константы связи каждой из этих симметрий изменяются в зависимости от энергии, при которой они измеряются. Около 10 ¹⁶ ГэВ эти связи становятся примерно равными. Это привело к предположению, что выше этой энергии три калибровочные симметрии стандартной модели объединены в одну калибровочную симметрию с простой калибровочной группой и всего одной константой связи. Ниже этой энергии симметрия спонтанно нарушается до симметрий стандартной модели. Популярным выбором объединяющей группы являются специальная унитарная группа в пяти измерениях SU(5) и специальная ортогональная группа в десяти измерениях SO(10) .

Теории, которые таким образом объединяют симметрии стандартной модели, называются теориями Великого объединения (или GUT), а энергетическая шкала, на которой единая симметрия нарушается, называется шкалой GUT. В целом теории великого объединения предсказывают создание магнитных монополей в ранней Вселенной. и нестабильность протона . Ни одно из этих явлений не наблюдалось, и это отсутствие наблюдения ограничивает возможные GUT.

Суперсимметрия

Основная статья: Суперсимметрия

Суперсимметрия расширяет Стандартную модель, добавляя к лагранжиану еще один класс симметрий . Эти симметрии обменивают фермионные частицы на бозонные . Такая симметрия предсказывает существование суперсимметричных частиц , сокращенно счастиц , к которым относятся слептоны , скварки , нейтралино и чаргино . У каждой частицы в Стандартной модели должен быть суперпартнер, спин которого отличается на 1/2 от спина обычной частицы. Из-за нарушения суперсимметрии частицы намного тяжелее своих обычных аналогов; они настолько тяжелы, что существующие коллайдеры частиц могут оказаться недостаточно мощными для их производства.

Нейтрино

В стандартной модели нейтрино не могут спонтанно изменить аромат . Однако измерения показали, что нейтрино действительно спонтанно меняют аромат, что называется нейтринными осцилляциями .

Осцилляции нейтрино обычно объясняют массивными нейтрино. В стандартной модели нейтрино имеют ровно нулевую массу, поскольку стандартная модель содержит только левые нейтрино. Без подходящего правого партнера невозможно добавить к стандартной модели перенормируемый массовый член. Эти измерения дают только разницу в массах между различными вкусами. Наилучшим ограничением абсолютной массы нейтрино являются прецизионные измерения распада трития , обеспечивающие верхний предел в 2 эВ, что делает их как минимум на пять порядков легче, чем другие частицы в стандартной модели. Это требует расширения стандартной модели, которая должна объяснить не только то, как нейтрино получают свою массу, но и почему масса настолько мала.

Один из подходов к добавлению массы к нейтрино, так называемый механизм качелей , состоит в том, чтобы добавить правые нейтрино и объединить их с левыми нейтрино с помощью массового члена Дирака . Правые нейтрино должны быть стерильными , то есть они не участвуют ни в одном из взаимодействий стандартной модели. Поскольку у них нет зарядов, правые нейтрино могут действовать как собственные античастицы и иметь массовый член Майораны . Ожидается, что, как и другие массы Дирака в стандартной модели, масса Дирака нейтрино будет генерироваться посредством механизма Хиггса и поэтому является непредсказуемой. Массы фермионов стандартной модели различаются на многие порядки; масса нейтрино Дирака имеет по крайней мере такую ​​же неопределенность. С другой стороны, масса Майораны для правых нейтрино не возникает из механизма Хиггса и поэтому ожидается, что она будет привязана к некоторому энергетическому масштабу новой физики, выходящему за рамки стандартной модели, например к масштабу Планка. Поэтому любой процесс с участием правых нейтрино будет подавляться при низких энергиях. Поправка, вызванная этими подавленными процессами, фактически дает левым нейтрино массу, обратно пропорциональную правой массе Майораны, механизм, известный как качели. Тем самым наличие тяжелых правых нейтрино объясняет как малую массу левых нейтрино, так и отсутствие правых нейтрино в наблюдениях. Однако из-за неопределенности масс дираковских нейтрино правосторонние массы нейтрино могут лежать где угодно. Например, они могут быть такими же легкими, как кэВ, и представлять собой темную материю . они могут иметь массу в БАКа. диапазоне энергий и приводят к наблюдаемому лептонного числа , нарушению или они могут быть близки к шкале Великого объединения, что связывает правые нейтрино с возможностью теории великого объединения.

Массовые члены смешивают нейтрино разных поколений. Это смешивание параметризуется матрицей PMNS , которая является нейтринным аналогом матрицы смешивания кварков CKM . В отличие от смешивания кварков, которое почти минимально, перемешивание нейтрино оказывается почти максимальным. Это привело к различным предположениям о симметрии между различными поколениями, которые могли бы объяснить закономерности смешения. Матрица смешивания также может содержать несколько сложных фаз, нарушающих CP-инвариантность, хотя экспериментальных исследований по этому поводу не проводилось. Эти фазы потенциально могут создать избыток лептонов над антилептонами в ранней Вселенной — процесс, известный как лептогенез . Эта асимметрия на более позднем этапе может быть преобразована в избыток барионов над антибарионами и объяснить асимметрию материи-антиматерии во Вселенной.

Легкие нейтрино не рассматриваются как объяснение наблюдения темной материи, основанное на соображениях формирования крупномасштабных структур в ранней Вселенной. Моделирование образования структур показывает, что они слишком горячие — то есть их кинетическая энергия велика по сравнению с их массой — в то время как для формирования структур, подобных галактикам в нашей Вселенной, требуется холодная темная материя . Моделирование показывает, что нейтрино могут в лучшем случае объяснить несколько процентов недостающей массы темной материи. Однако тяжелые, стерильные, правые нейтрино являются возможными кандидатами на роль вимпа темной материи .

Однако существуют и другие объяснения нейтринных осцилляций, которые не обязательно требуют, чтобы нейтрино имели массу, например нейтринные осцилляции, нарушающие Лоренц .

Модели Preon

Было предложено несколько преонных моделей для решения нерешенной проблемы, связанной с существованием трех поколений кварков и лептонов. Преоновые модели обычно постулируют наличие некоторых дополнительных новых частиц, которые, как предполагается, могут объединяться с образованием кварков и лептонов стандартной модели. Одной из первых преонных моделей была модель Ришона .

На сегодняшний день ни одна преонная модель не получила широкого признания и не была полностью проверена.

Теории всего

Основная статья: Теория всего

Теоретическая физика продолжает стремиться к теории всего, теории, которая полностью объясняет и связывает воедино все известные физические явления и предсказывает результат любого эксперимента, который может быть проведен в принципе.

В практическом плане ближайшей целью в этом отношении является разработка теории, которая объединила бы Стандартную модель с общей теорией относительности в теории квантовой гравитации . Были бы желательны дополнительные функции, такие как преодоление концептуальных недостатков теории или точное предсказание масс частиц.Проблемы создания такой теории не просто концептуальные — они включают в себя экспериментальные аспекты очень высоких энергий, необходимых для исследования экзотических сфер.

Несколько заметных попыток в этом направлении — это суперсимметрия , петлевая квантовая гравитация и теория струн .

Суперсимметрия

Основная статья: суперсимметрия

гравитация

Основная статья: петлевая квантовая гравитация

Некоторые считают, что теории квантовой гравитации, такие как петлевая квантовая гравитация и другие, являются многообещающими кандидатами на математическое объединение квантовой теории поля и общей теории относительности, требующее менее радикальных изменений в существующих теориях. Однако недавние работы налагают строгие ограничения на предполагаемое влияние квантовой гравитации на скорость света и ставят в невыгодное положение некоторые современные модели квантовой гравитации.

Теория струн

Основная статья: Теория струн

Расширения, изменения, замены и реорганизации Стандартной модели существуют в попытке исправить эти и другие проблемы. Теория струн является одним из таких изобретений, и многие физики-теоретики считают, что такие теории являются следующим теоретическим шагом на пути к истинной Теории Всего .

Среди многочисленных вариантов теории струн М-теория , математическое существование которой было впервые предложено на Струнной конференции в 1995 году Эдвардом Виттеном, многие считают подходящим кандидатом на «ToE» , особенно физики Брайан Грин и Стивен Хокинг . Хотя полное математическое описание еще не известно, существуют решения теории для конкретных случаев. В недавних работах также были предложены альтернативные струнные модели, в некоторых из которых отсутствуют различные труднопроверяемые особенности М-теории (например, существование многообразий Калаби-Яу , множества дополнительных измерений и т. д.), включая работы хорошо публикуемых физиков, таких как в роли Лизы Рэндалл .

См. также

• Тесты на антивещество с нарушением Лоренца
• За пределами черных дыр
• Фундаментальные физические константы стандартной модели
• Безхиггсовская модель
• Голографический принцип
• Маленький Хиггс
• Лоренц-нарушающие нейтринные осцилляции
• Минимальная суперсимметричная стандартная модель
• Минимальная стандартная модель нейтрино
• Теория Печчеи – Куинна
• Преон
• Расширение стандартной модели
• Супергравитация
• Качающийся механизм
• Суперсимметрия
• Теория сверхтекучего вакуума
• Теория струн
• Техниколор (физика)
• Теория всего
• Нерешенные задачи по физике
• Физика нечастичных частиц

Дальнейшее чтение

• Лиза Рэндалл (2005). Искаженные проходы: разгадка тайн скрытых измерений Вселенной . ХарперКоллинз . ISBN  978-0-06-053108-9 .

Внешние ресурсы

• Теория стандартных моделей @ SLAC
• Журнал Scientific American, апрель 2006 г.
• БАК. Природа июль 2007 г.
• Конференция в Ле Уше, лето 2005 г.