Физика за пределами Стандартной модели

Физика за пределами Стандартной модели (иначе называемая Новая физика[1]) относится к теоретическим разработкам, которые необходимы, чтобы объяснить недостатки Стандартной модели, такие как происхождение массы, сильная CP-проблема, нейтринные осцилляции, асимметрия материи и антиматерии, происхождение тёмной материи и тёмной энергии.[2] Другая проблема заключается в математических основах самой Стандартной модели — Стандартная модель не согласуется с общей теорией относительности в том смысле, что одна или обе теории распадаются в своих описаниях на более мелкие при определенных условиях (например, в рамках известных сингулярностей пространства-времени, таких как Большой взрыв и горизонты событий чёрных дыр).

Теории, которые лежат за пределами Стандартной модели, включают в себя различные расширения Стандартной модели через суперсимметрию[1], такие, как Минимальная суперсимметричная стандартная модель (англ.) и Следующая за минимальной суперсимметричная стандартная модель (англ.), либо совершенно новые объяснения, такие как теория струн, M-теория и дополнительные измерения. Поскольку эти теории, как правило, полностью согласуются с текущими наблюдаемыми явлениями или не доведены до состояния конкретных предсказаний, вопрос о том, какая теория является правильной (или по крайней мере «лучшим шагом» к Теории всего), может быть решён только с помощью экспериментов. В настоящее время это одна из наиболее активных областей исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике.

Проблемы Стандартной моделиПравить

Несмотря на то, что Стандартная модель в настоящее время является наиболее успешной теорией физики элементарных частиц, она несовершенна.[3]

Необъяснённые экспериментальные наблюденияПравить

Есть целый ряд экспериментальных наблюдений за природой, для которых Стандартная модель не даёт адекватного объяснения.

  • Гравитация. Стандартная модель не предоставляет объяснение гравитации. Кроме того, она несовместима с наиболее успешной теорией гравитации на сегодняшний день — Общей теорией относительности.
  • Тёмная материя и тёмная энергия. Космологические наблюдения говорят нам, что Стандартная модель способна объяснить лишь около 4,5 % материи во Вселенной. Из недостающих 95,5 % около 22,5 % должны быть тёмной материей, то есть материей, которая ведёт себя точно так же как другая материя, которую мы знаем, но которая взаимодействует только слабо с полями Стандартной модели. Остальное должно быть тёмной энергией, постоянной плотностью энергии вакуума. Попытки объяснить тёмную энергию с точки зрения энергии вакуума Стандартной модели (планковская энергия) приводят к несоответствию в 120 порядков.
  • Массы нейтрино. Согласно Стандартной модели, нейтрино являются безмассовыми частицами. Тем не менее, эксперименты с нейтринными осцилляциями показали, что нейтрино имеют массу. Массовые члены для нейтрино могут быть добавлены к Стандартной модели вручную, но это приводит к новым теоретическим проблемам. (например, массовые члены должны быть чрезвычайно малы).
  • Асимметрия материи и антиматерии. Вселенная состоит по большей части из вещества. Тем не менее, Стандартная модель предсказывает, что вещество и антивещество должны были быть созданы в (почти) равных количествах, которые бы уничтожили друг друга, пока Вселенная охлаждалась.

Теоретические проблемыПравить

Некоторые особенности Стандартной модели добавлены специальным способом. Они не являются проблемой по существу (то есть теория хорошо работает с этими специальными особенностями), но они предполагают недостаток понимания. Эти специальные особенности побудили теоретиков искать более фундаментальные теории с меньшим количеством параметров. Некоторые из специальных особенностей:

  • Проблема иерархии фермионных масс. Стандартная модель вводит массы частиц посредством процесса, известного как спонтанное нарушение симметрии, вызванное полем Хиггса. В рамках Стандартной модели масса Хиггса получает некоторые очень большие квантовые поправки, связанные с присутствием виртуальных частиц (главным образом виртуальных топ-кварков). Эти поправки намного больше, чем фактическая масса Хиггса. Это означает, что параметр голой массы Хиггса в Стандартной модели должен быть тонко настроен таким способом, который почти полностью отменяет квантовые поправки. Этот уровень тонкой настройки считается неестественным (англ.) многими теоретиками.
  • Сильная CP-проблема. Теоретически можно утверждать, что Стандартная модель должна содержать член, который нарушает CP-симметрию между материей и антиматерией — в части сильного взаимодействия. Экспериментально, однако, такое нарушение не было обнаружено, что означает, что коэффициент при этом члене очень близок к нулю. Эта тонкая настройка также считается противоестественной.
  • Количество параметров. Стандартная модель зависит от 19 числовых параметров. Их значения известны из эксперимента, но происхождение значений неизвестно. Некоторые теоретики пытались найти связь между различными параметрами, например между массами частиц в разных поколениях.

СуперсимметрияПравить

Основная статья: Суперсимметрия

Суперсимметрия — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе[4]. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие (или в излучение), и наоборот.

Суперсимметрия предполагает удвоение (как минимум) числа известных элементарных частиц за счёт наличия суперпартнёров. К примеру, для фотона — фотино, кварка — скварк, хиггса — хиггсино и так далее. Суперпартнёры должны иметь значение спина, на полуцелое число отличающееся от значения спина у исходной частицы[5][6].

По состоянию на 2019 год суперсимметрия является физической гипотезой, не подтверждённой экспериментально. Совершенно точно установлено, что наш мир не является суперсимметричным в смысле точной симметрии, так как в любой суперсимметричной модели фермионы и бозоны, связанные суперсимметричным преобразованием, должны обладать одинаковыми массой, зарядом и другими квантовыми числами (за исключением спина). Данное требование не выполняется для известных в природе частиц. Предполагается, тем не менее, что существует энергетический лимит, за пределами которого поля подчиняются суперсимметричным преобразованиям, а в рамках лимита — нет. В таком случае частицы-суперпартнёры обычных частиц оказываются очень легкими по сравнению с обычными частицами[7].

Поиск суперпартнёров обычных частиц — одна из основных задач современной физики высоких энергий[7]. Ожидается, что Большой адронный коллайдер[8] сможет открыть и исследовать суперсимметричные частицы, если они существуют, или поставить под большое сомнение суперсимметричные гипотезы, если ничего не будет обнаружено.

Теории Великого объединенияПравить

Стандартная модель имеет три калибровочные симметрии: цвета SU(3), слабого изоспина SU(2) и гиперзаряда U(1), соответствующие трём фундаментальным силам. Из-за перенормировки константы связи каждой из этих симметрий меняются в зависимости от энергии, при которой они измеряются. Около 1019 ГэВ эти связи становятся примерно равными. Это привело к предположению, что выше этой энергии три калибровочные симметрии Стандартной модели объединены в одной калибровочной симметрии с простой группой калибровочной группы и только одной константой связи. Ниже этой энергии симметрия спонтанно нарушена к стандартным симметриям модели.[9] Популярным выбором для объединяющей группы является специальная унитарная группа в пяти измерениях SU(5) и специальная ортогональная группа в десяти измерениях SO(10) (англ.).[10]

Теории, которые объединяют симметрии Стандартной модели таким образом, называются теориями Великого объединения (или англ. Grand Unification Theories — GUT), а масштаб энергий, при которых единая симметрия нарушается, называется масштабом GUT. В общем, теории Великого объединения предсказывают создание магнитных монополей в ранней Вселенной[11] и нестабильность протона.[12] Эти предсказания, несмотря на интенсивный поиск, не подтверждаются экспериментально, и это налагает ограничения на возможные GUT.

Квантовая гравитацияПравить

Основная статья: Квантовая гравитация

Квантовая гравитация — направление исследований в теоретической физике, целью которого является квантовое описание гравитационного взаимодействия (и, в случае успеха — объединение таким образом гравитации с остальными тремя фундаментальными взаимодействиями, то есть построение так называемой «теории всего»).

ПрочиеПравить

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. 1 2 За пределами Стандартной модели. Элементы.ру. Дата обращения 10 мая 2013. Архивировано 12 мая 2013 года.
  2. J. Womersley. «Beyond the Standard Model». (недоступная ссылка). Дата обращения 30 июня 2011. Архивировано 17 октября 2007 года.
  3. Lykken, Beyond the Standard Model, arxiv.org:1005.1676.
  4. Томилин К. А. Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах. М.: Физматлит, 2006, 368 с, страница 153. (djvu)
  5. Simeon Bird, Ilias Cholis, Julian B. Muñoz, Yacine Ali-Haïmoud, Marc Kamionkowski, Ely D. Kovetz, Alvise Raccanelli, Adam G. Riess. Did LIGO detect dark matter? (англ.), Cornell University Library (1 March 2016).
  6. Нобелевский лауреат предположил открытие суперсимметрии (рус.), Lenta.ru (6 марта 2016).
  7. 1 2 Существует ли суперсимметрия в мире элементарных частиц?
  8. Официальный короткий технический отчёт CERN от 2 июля 2008 года (недоступная ссылка) (англ.)
  9. Peskin, Michael Edward; Schroeder, Daniel V. An introduction to quantum field theory (неопр.). — Addison-Wesley, 1995. — С. 786—791. — ISBN 9780201503975.
  10. Buchmüller (2002), Neutrinos, Grand Unification and Leptogenesis, arΧiv:hep-ph/0204288v2 [hep-ph] 
  11. Magnetic Monopoles
  12. Pran Nath & Pavel Fileviez Perez (2006), Proton stability in grand unified theories, in strings, and in branes, arΧiv:hep-ph/0601023v3 [hep-ph] 

СсылкиПравить