Пустыня (физика элементарных частиц)

В Теории Великого Объединения физики элементарных частиц (GUT) пустыня относится к теоретическому разрыву в энергетических масштабах, примерно между шкалой электрослабой энергии, обычно определяемой примерно как вакуумное математическое ожидание или ВэВ поля Хиггса (около 246 ГэВ ) – и шкалу GUT , в которой не появляются неизвестные взаимодействия.

Это также можно охарактеризовать как разрыв в задействованных длинах , без новой физики ниже 10. ⁻¹⁸ м (текущая измеряемая шкала длины) и выше 10 ⁻³¹ м (шкала длины ГУТ).

Идея пустыни была мотивирована наблюдением приблизительного порядка величины унификации калибровочной связи в масштабе GUT. Когда значения калибровочных констант связи слабого ядерного, сильного ядерного и электромагнитного взаимодействия отображаются как функция энергии, кажется, что эти три значения почти сходятся к одному общему значению при очень высоких энергиях. Это было одной из теоретических мотиваций для самих Теорий Великого Объединения, и добавление новых взаимодействий на любом промежуточном энергетическом масштабе обычно нарушает это объединение калибровочных связей. Разрушение возникает из-за новых квантовых полей – новых сил и частиц – которые вводят новые константы связи и новые взаимодействия, которые изменяют существующие Стандартной модели константы связи при более высоких энергиях. Однако тот факт, что сходимость в Стандартной модели на самом деле неточна, является одним из ключевых теоретических аргументов против Пустыни, поскольку для точного объединения требуется новая физика ниже шкалы Великого Объединения .

Частицы стандартной модели

Все частицы Стандартной модели были обнаружены значительно ниже энергетической шкалы примерно 10 ¹² эВ или 1 ТэВ. Самая тяжелая частица Стандартной модели — топ-кварк с массой около 173 ГэВ.

Пустыня

Теория пустыни предсказывает, что при превышении этих энергий частицы не будут обнаружены до тех пор, пока они не достигнут масштаба примерно 10 ²⁵ эВ ^{[ почему? ]}. Согласно теории, измерения физики в ТэВ-масштабе на Большом адронном коллайдере (ILC) ближайшего будущего (LHC) и Международном линейном коллайдере позволят экстраполяцию вплоть до масштаба Великого Великого Объединения. ^{[ нужна ссылка ]}.

Негативное значение пустыни частиц заключается в том, что экспериментальной физике просто нечего будет открывать в течение очень длительного периода времени. В зависимости от скорости увеличения энергий эксперимента этот период может составлять сто лет и более. Предположительно, даже если энергия, достигнутая на БАКе, ~ 10 ¹³ эВ были увеличены на 12 порядков, это привело бы лишь к образованию большего количества известных сегодня частиц без исследования основной структуры. Вышеупомянутый промежуток времени может быть сокращен за счет наблюдения за масштабом Великого Объединения посредством радикального развития физики ускорителей или с помощью технологии наблюдения без ускорителей, такой как изучение событий космических лучей чрезвычайно высокой энергии , или другой, еще неразвитой технологии.

Альтернативы пустыне демонстрируют частицы и взаимодействия, разворачивающиеся с увеличением энергетической шкалы на каждые несколько порядков.

МССМ пустыня

С помощью минимальной суперсимметричной стандартной модели корректировка параметров может сделать великое объединение точным. Это объединение не уникально.

Такая точная унификация калибровок является общей чертой суперсимметричных моделей и остается основной теоретической мотивацией для их разработки. Такие модели автоматически вводят новые частицы (« суперпартнеры ») на новом энергетическом уровне, связанном с нарушением новой симметрии, исключая традиционную энергетическую пустыню. Однако они могут содержать аналогичную «пустыню» между новой энергетической шкалой и шкалой Великого Объединения.

Зеркальная материя пустыни

Сценарии, подобные модели Катоптрона, также могут привести к точному объединению после аналогичной энергетической пустыни. Если известные массы нейтрино обусловлены механизмом качелей , новые состояния тяжелых нейтрино должны иметь массы ниже шкалы Великого объединения, чтобы произвести наблюдаемые массы O (1 мэВ). В рамках катоптронов рассчитаны показательные примеры порядка величины соответствующих масс и параметров смешения фермионов в соответствии с экспериментальными данными. ^[1]^[2]

Доказательство

По состоянию на 2019 год БАК исключил существование многих новых частиц с массой до нескольких ТэВ, что примерно в 10 раз превышает массу топ-кварка. Другие косвенные доказательства в пользу большой энергетической пустыни на определенном расстоянии выше электрослабого масштаба (или даже отсутствия частиц за пределами этого масштаба) включают:

Отсутствие каких-либо наблюдаемых распадов протонов уже исключило многие новые физические модели, которые могут производить их до (и за пределами) масштаба Великого Объединения. ^{[ нужна ссылка ]}
Прецизионные измерения известных частиц и процессов, таких как чрезвычайно редкие распады частиц, уже косвенно исследовали масштабы энергии до 1 ПэВ (10 ⁶ ГэВ), не обнаружив каких-либо подтвержденных отклонений от Стандартной модели. Это существенно ограничивает любую новую физику, которая могла бы существовать ниже этих энергий.
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 . ^[3]^[4]^[5] 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. ^[3]
Наблюдаемые режимы и скорости распада бозона Хиггса до сих пор согласуются со Стандартной моделью.

Контрдоказательства

До сих пор нет прямых доказательств существования новых фундаментальных частиц с массами между электрослабым масштабом и масштабом Великого Объединения, соответствующими пустыне. Однако существует несколько теорий о том, почему такие частицы могут существовать:

Ведущие теоретические объяснения масс нейтрино, различные модели качелей, требуют новых состояний тяжелых нейтрино ниже шкалы Великого объединения.
Как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP), так и аксионные модели темной материи требуют, чтобы новые долгоживущие частицы имели массы намного ниже шкалы Великого объединения.
В Стандартной модели нет физики, которая стабилизировала бы массу бозона Хиггса до фактического наблюдаемого значения. Поскольку фактическое значение намного ниже шкалы Великого объединения, что бы новая физика в конечном итоге ни стабилизировала, это должно стать очевидным и при более низких энергиях.
Точные измерения за последние годы привели к нескольким серьезным расхождениям со Стандартной моделью. К ним относятся аномалии некоторых распадов B-мезонов и несоответствие измеренной величины мюона g -2 ( аномального магнитного момента ). В зависимости от результатов текущих экспериментов, эти эффекты могут уже указывать на существование неизвестных новых частиц с энергией ниже 100 ТэВ.

Ссылки

^ Триантафиллу, Г. (1999). «Нейтрино, их партнеры и объединение» . Европейский физический журнал C . 10 (4): 703. arXiv : hep-ph/9901346 . дои : 10.1007/s100520050609 .
^ Триантафиллу, Г. (2001). «МАССОВАЯ ГЕНЕРАЦИЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГРУППЫ КАТОПТРОН» . Буквы по современной физике А. 16 (02): 53–61. arXiv : hep-ph/0010147 . дои : 10.1142/S0217732301002274 . ISSN 0217-7323 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Афшорди, Ниайеш; Нельсон, Эллиот (7 апреля 2016 г.). «Космологические границы физики в ТэВном масштабе и за его пределами» . Физический обзор D . 93 (8): 083505. arXiv : 1504.00012 . Бибкод : 2016PhRvD..93h3505A . дои : 10.1103/PhysRevD.93.083505 . S2CID 119110506 . Проверено 20 февраля 2023 г.
^ Афшорди, Ниаеш (21 ноября 2019 г.). «О происхождении «загадочного» шума LIGO и пустыни физики частиц высоких энергий». arXiv : 1911.09384 [ gr-qc ].
^ Афшорди, Ниайеш; Ким, Хёнджин; Нельсон, Эллиот (15 марта 2017 г.). «Ограничения времени пульсара в физике за пределами стандартной модели». arXiv : 1703.05331 [ hep-th ].

Внешние ссылки

Волчовер, Натали (9 августа 2016 г.). «Что значит отсутствие новых частиц для физики» . Журнал Кванта . Фонд Саймонса . Проверено 19 декабря 2016 г.
Димопулос, Савас (1990). «БАК, SSC и Вселенная» . Буквы по физике Б. 246 (3–4): 347–352. Бибкод : 1990PhLB..246..347D . дои : 10.1016/0370-2693(90)90612-А .
Кавамура, Ёсихару; Кинами, Теппей; Миура, Такаши (2009). «Правила сумм суперчастиц при наличии динамики скрытого сектора» . Журнал физики высоких энергий . 2009 (1): 064. arXiv : 0810.3965 . Бибкод : 2009JHEP...01..064K . дои : 10.1088/1126-6708/2009/01/064 .

[1] Триантафиллу, Г. (1999). «Нейтрино, их партнеры и объединение» . Европейский физический журнал C . 10 (4): 703. arXiv : hep-ph/9901346 . дои : 10.1007/s100520050609 .

[2] Триантафиллу, Г. (2001). «МАССОВАЯ ГЕНЕРАЦИЯ И ДИНАМИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГРУППЫ КАТОПТРОН» . Буквы по современной физике А. 16 (02): 53–61. arXiv : hep-ph/0010147 . дои : 10.1142/S0217732301002274 . ISSN 0217-7323 .

[cosmological-bounds-3] Перейти обратно: ^а ^б Афшорди, Ниайеш; Нельсон, Эллиот (7 апреля 2016 г.). «Космологические границы физики в ТэВном масштабе и за его пределами» . Физический обзор D . 93 (8): 083505. arXiv : 1504.00012 . Бибкод : 2016PhRvD..93h3505A . дои : 10.1103/PhysRevD.93.083505 . S2CID 119110506 . Проверено 20 февраля 2023 г.

[ligo-noise-4] Афшорди, Ниаеш (21 ноября 2019 г.). «О происхождении «загадочного» шума LIGO и пустыни физики частиц высоких энергий». arXiv : 1911.09384 [ gr-qc ].

[pulsar-timing-5] Афшорди, Ниайеш; Ким, Хёнджин; Нельсон, Эллиот (15 марта 2017 г.). «Ограничения времени пульсара в физике за пределами стандартной модели». arXiv : 1703.05331 [ hep-th ].

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]