Физика за пределами стандартной модели

редактировать
Теории, пытающиеся объяснить недостатки Стандартной модели, квантовой теории поля и общей теории относительности

Физика за пределами стандарта Модель (BSM ) относится к теоретическим разработкам, необходимым для объяснения недостатков Стандартной модели, таких как сильная проблема CP, осцилляции нейтрино, асимметрия материя – антивещество и природа темной материи и темной энергии. Другая проблема заключается в математической структуре самой Стандартной модели: Стандартная модель несовместима с общей теорией относительности до такой степени, что одна или обе теории не работают при определенных условиях ( например, в пределах известных пространства-времени сингулярностей, таких как Большой взрыв и черная дыра горизонты событий ).

Теории, выходящие за рамки Стандартной модели, включают различные расширения стандартной модели посредством суперсимметрии, такие как Минимальная суперсимметричная стандартная модель (MSSM) и Next от минимальной суперсимметричной стандартной модели (NMSSM) и совершенно новые объяснения, такие как теория струн, M-теория и дополнительные измерения. Поскольку эти теории имеют тенденцию воспроизводить все текущие явления, вопрос о том, какая теория является правильной или, по крайней мере, «лучший шаг» к теории всего, может быть решен только с помощью экспериментов, и является одним из наиболее активных направлений исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике.

Содержание

  • 1 Проблемы стандартной модели
    • 1.1 Необъясненные явления
      • 1.1.1 Необъясненные результаты экспериментов
    • 1.2 Теоретические предсказания не соблюдаются
    • 1.3 Теоретические проблемы
  • 2 Теории великого объединения
  • 3 Суперсимметрия
  • 4 Нейтрино
  • 5 Модели Преона
  • 6 Теории всего
    • 6.1 Суперсимметрия
    • 6.2 Петлевая квантовая гравитация
    • 6.3 Теория струн
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Дополнительная литература
  • 10 Внешние ресурсы

Проблемы со стандартной моделью

Несмотря на то, что Стандартная модель является наиболее успешной на сегодняшний день теорией физики элементарных частиц, она несовершенна. Большая часть опубликованных результатов физиков-теоретиков состоит из предложений по различным формам новых физических предложений "За пределами Стандартной модели", которые изменяли бы Стандартную модель достаточно тонкими способами, чтобы согласовываться с существующими данными, но при этом решали бы ее недостатки достаточно существенно, чтобы прогнозировать нестандартные результаты новых экспериментов, которые могут быть предложены.

Стандартная модель элементарных частиц + гипотетический гравитон

Необъясненные явления

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

  • Гравитация. Стандартная модель не объясняет гравитацию. Подход простого добавления гравитона к Стандартной модели не воссоздает то, что наблюдается экспериментально, без других модификаций, пока не обнаруженных в Стандартной модели. Более того, Стандартная модель считается несовместимой с самой успешной на сегодняшний день теорией гравитации общей теорией относительности.
  • Темной материей. Космологические наблюдения говорят нам, что стандартная модель объясняет около 5% энергии, присутствующей во Вселенной. Около 26% должно составлять темная материя, которая будет вести себя так же, как и другая материя, но слабо (если вообще взаимодействует) с полями Стандартной модели. Тем не менее, Стандартная модель не предоставляет никаких фундаментальных частиц, которые являются хорошими кандидатами в темную материю.
  • Темная энергия. Остальные 69% энергии Вселенной должны состоять из так называемой темной энергии, постоянной плотности энергии вакуума. Попытки объяснить темную энергию с помощью энергии вакуума стандартной модели приводят к несоответствию на 120 порядков.
  • масс нейтрино. Согласно стандартной модели нейтрино - безмассовые частицы. Однако эксперименты по осцилляции нейтрино показали, что нейтрино действительно 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 малыми, и неясно, возникнут ли массы нейтрино таким же образом, как массы других фундаментальных частиц в Стандартной модели.
  • Асимметрия материи и антивещества. Вселенная состоит в основном из материи. Однако стандартная модель предсказывает, что материя и антивещество должны были быть созданы в (почти) равных количествах, если бы начальные условия Вселенной не включали непропорционально большое количество вещества по сравнению с антивеществом. Тем не менее, в Стандартной модели нет механизма, достаточного для объяснения этой асимметрии.

Экспериментальные результаты не объяснены

Ни один экспериментальный результат не считается окончательно противоречащим Стандартной модели при пяти- сигме Уровень, который широко считается порогом открытия в физике элементарных частиц. Поскольку каждый эксперимент содержит некоторую степень статистической и системной неопределенности, а сами теоретические прогнозы 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 не будет открываться новая физика.

В любой момент существует несколько экспериментальных результатов, которые значительно отличаются от прогнозов, основанных на Стандартной модели. В прошлом было обнаружено, что многие из этих несоответствий являются статистическими случайностями или экспериментальными ошибками, которые исчезают по мере сбора большего количества данных или когда одни и те же эксперименты проводились более тщательно. С другой стороны, любая физика за пределами Стандартной модели обязательно сначала проявится в экспериментах как статистически значимая разница между экспериментом и теоретическим предсказанием. Задача - определить, в чем дело.

В каждом случае физики стремятся определить, является ли результат простой статистической случайностью или экспериментальной ошибкой, с одной стороны, или признаком новой физики, с другой. Более статистически значимые результаты не могут быть просто статистическими случайностями, они все же могут быть результатом экспериментальной ошибки или неточных оценок экспериментальной точности. Часто эксперименты приспособлены к тому, 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 - экспериментально измеренное значение аномального магнитного дипольного момента мюона (мюон «g - 2») значительно отличается из предсказания Стандартной модели.
  • Распад B-мезона и т. д. - результаты эксперимента BaBar могут свидетельствовать о превышении предсказаний Стандартной модели типа распада частицы (B → Dτν τ). В этом случае электрон и позитрон сталкиваются, в результате чего возникает мезон B и мезон антивещества B, который затем распадается на мезон D и тау-лептон как а также тау-антинейтрино. Хотя уровень достоверности превышения (3,4 σ на статистическом языке) недостаточен, чтобы заявить о разрыве со Стандартной моделью, результаты являются потенциальным признаком чего-то неправильного и могут повлиять на существующие теории, в том числе на те, которые пытаются вывести свойства бозонов Хиггса. В 2015 г. LHCb сообщил о превышении 2,1 сигма при том же соотношении фракций ветвления. Эксперимент Belle также сообщил об избытке. В 2017 году анализ всех доступных данных сообщил об отклонении 5 сигма от SM.

Теоретические предсказания не соблюдались

Наблюдение на коллайдерах частиц всех фундаментальных частиц, предсказанных Стандартной моделью было подтверждено. бозон Хиггса предсказывается Стандартной моделью механизма Хиггса, который описывает, как нарушается слабая калибровочная симметрия SU (2) и как элементарные частицы приобретают массу; это была последняя частица, которую предсказывала Стандартная модель для наблюдения. 4 июля 2012 г. ученые ЦЕРН с помощью Большого адронного коллайдера объявили об открытии частицы, соответствующей бозону Хиггса, с массой около 126 ГэВ / c. 14 марта 2013 г. было подтверждено существование бозона Хиггса, хотя попытки подтвердить, что он обладает всеми свойствами, предсказанными Стандартной моделью, продолжаются.

Несколько адронов (т.е. составные частицы, состоящие из кварков ), существование которых предсказано Стандартной моделью, которые могут быть получены только при очень высоких энергиях и очень низких частотах, еще окончательно не наблюдались, и «глюболов » (т.е. составные частицы, состоящие из глюонов ) также еще не наблюдались окончательно. Некоторые очень низкочастотные распады частиц, предсказываемые Стандартной моделью, также еще не наблюдались окончательно, поскольку данных недостаточно, чтобы сделать статистически значимое наблюдение.

Теоретические проблемы

Некоторые функции стандартной модели добавлены специальным способом. Это не проблемы как таковые (т.е. теория отлично работает с этими специальными функциями), но они подразумевают отсутствие понимания. Эти специальные особенности побудили теоретиков искать более фундаментальные теории с меньшим количеством параметров. Вот некоторые из специальных функций:

  • Проблема иерархии - стандартная модель вводит массы частиц посредством процесса, известного как спонтанное нарушение симметрии, вызванное полем Хиггса. В рамках стандартной модели масса Хиггса получает очень большие квантовые поправки из-за присутствия виртуальных частиц (в основном виртуальных топ-кварков ). Эти поправки намного превышают фактическую массу Хиггса. Это означает, что параметр голой массы Хиггса в стандартной модели должен быть точно настроен таким образом, чтобы почти полностью исключить квантовые поправки. Этот уровень тонкой настройки считается неестественным многими теоретиками.
  • Количество параметров - стандартная модель зависит от 19 числовых параметров. Их значения известны из эксперимента, но происхождение значений неизвестно. Некоторые теоретики пытались найти взаимосвязь между различными параметрами, например, между массами частиц в разных поколениях или вычислением масс частиц, например, в сценариях асимптотической безопасности.
  • Quantum тривиальность - предполагает, что, возможно, невозможно создать последовательную квантовую теорию поля, включающую элементарные скалярные частицы Хиггса. Иногда это называют проблемой полюса Ландау.
  • Сильная проблема CP - теоретически можно утверждать, что стандартная модель должна содержать термин, нарушающий CP-симметрию - соотносящий вещество к антивеществу - в секторе сильного взаимодействия. Однако экспериментально такого нарушения не обнаружено, что означает, что коэффициент при этом члене очень близок к нулю. Такая тонкая настройка также считается неестественной.

Теории великого объединения

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

Теории, объединяющие симметрии стандартной модели в такие пути называются Теориями Великого Объединения (или GUT), а шкала энергии, при которой нарушается объединенная симметрия, называется шкалой GUT. Как правило, теории великого объединения предсказывают создание магнитных монополей в ранней Вселенной и нестабильность протона. Ни то, ни другое не наблюдалось, и это отсутствие наблюдения ограничивает возможные GUT.

Суперсимметрия

Суперсимметрия расширяет Стандартную модель, добавляя еще один класс симметрии к лагранжиану. Эти симметрии обменивают фермионные частицы на бозонные. Такая симметрия предсказывает существование суперсимметричных частиц, сокращенно спартиклей, которые включают слептоны, скварки, нейтралино и чарджино. Каждая частица в Стандартной модели будет иметь суперпартнера, чей спин отличается на 1/2 от обычной частицы. Из-за нарушения суперсимметрии частицы намного тяжелее своих обычных аналогов; они настолько тяжелы, что существующие коллайдеры частиц могут быть недостаточно мощными для их производства.

Нейтрино

В стандартной модели нейтрино имеют точно нулевую массу. Это следствие стандартной модели, содержащей только левые нейтрино. В отсутствие подходящего правого партнера невозможно добавить перенормируемый массовый член в стандартную модель. Однако измерения показали, что нейтрино спонтанно изменяют аромат, что означает, что нейтрино имеют массу. Эти измерения дают только разницу в массе между разными вкусами. Наилучшим ограничением абсолютной массы нейтрино являются прецизионные измерения распада трития, обеспечивающие верхний предел 2 эВ, что делает их по крайней мере на пять порядков легче, чем другие частицы в стандартной модели. Это требует расширения стандартной модели, которая не только должна объяснить, как нейтрино получают свою массу, но и почему масса такая мала.

Один из подходов к добавлению массы нейтрино, так называемый качели, состоит в добавлении правых нейтрино и связывании этих нейтрино с левыми нейтрино с массой Дирака. Правые нейтрино должны быть стерильными, что означает, что они не участвуют ни в одном из взаимодействий стандартной модели. Поскольку у них нет зарядов, правые нейтрино могут действовать как свои собственные античастицы и иметь член массы Майорана. Как и другие массы Дирака в стандартной модели, нейтринная масса Дирака должна генерироваться с помощью механизма Хиггса и поэтому непредсказуема. Массы фермионов стандартной модели различаются на много порядков; масса нейтрино Дирака имеет, по крайней мере, такую ​​же неопределенность. С другой стороны, масса Майорана для правых нейтрино не является результатом механизма Хиггса, и поэтому ожидается, что она будет привязана к некоторой энергетической шкале новой физики за пределами стандартной модели, например шкале Планка. Следовательно, любой процесс с участием правых нейтрино будет подавлен при низких энергиях. Коррекция, обусловленная этими подавленными процессами, эффективно придает левым нейтрино массу, которая обратно пропорциональна массе правостороннего Майорана, механизм, известный как качели. Таким образом, наличие тяжелых правых нейтрино объясняет как малую массу левых нейтрино, так и отсутствие правых нейтрино в наблюдениях. Однако из-за неопределенности масс дираковских нейтрино массы правых нейтрино могут лежать где угодно. Например, они могут быть такими же легкими, как кэВ, и быть темной материей, они могут иметь массу в диапазоне энергий LHC и приводить к наблюдаемому нарушению лептонного числа., или они могут быть близки к шкале GUT, связывая правые нейтрино с возможностью великой объединенной теории.

Массовые члены смешивают нейтрино разных поколений. Это смешивание параметризуется матрицей PMNS, которая является нейтринным аналогом кварковой матрицы смешивания CKM. В отличие от кваркового перемешивания, которое почти минимально, перемешивание нейтрино оказывается почти максимальным. Это привело к различным предположениям о симметрии между различными поколениями, которые могли бы объяснить модели смешивания. Матрица смешения может также содержать несколько сложных фаз, нарушающих CP-инвариантность, хотя экспериментального исследования этого не проводилось. Эти фазы потенциально могли создать избыток лептонов над антилептонами в ранней Вселенной, процесс, известный как лептогенез. Эта асимметрия затем может быть преобразована в избыток барионов над антибарионами и объяснить асимметрию материи и антивещества во Вселенной.

Светлые нейтрино не подходят для объяснения наблюдения темноты. материи, из-за соображений формирования крупномасштабных структур в ранней Вселенной. Моделирование образования структуры показывает, что они слишком горячие, т.е. их кинетическая энергия велика по сравнению с их массой - в то время как для образования структур, подобных галактикам в нашей Вселенной, требуется холодная темная материя. Моделирование показывает, что нейтрино могут в лучшем случае объяснить несколько процентов отсутствующей темной материи. Однако тяжелые стерильные правые нейтрино являются возможными кандидатами на роль темной материи WIMP.

Модели преонов

Для решения нерешенной проблемы, связанной с преонами, было предложено несколько моделей преонов. тот факт, что существует три поколения кварков и лептонов. В моделях Преона обычно постулируются некоторые дополнительные новые частицы, которые, как предполагается, могут объединяться, образуя кварки и лептоны стандартной модели. Одной из самых ранних преонных моделей была модель Ришона.

На сегодняшний день ни одна преонная модель не получила широкого признания или полной проверки.

Теории 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 можно провести. в принципе.

С практической точки зрения 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 в теории или точное предсказание масс частиц. Задачи построения такой теории не просто концептуальные - они включают экспериментальные аспекты очень высоких энергий, необходимых для исследования экзотических областей.

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

Суперсимметрия

Петлевая квантовая гравитация

Теории квантовой гравитации, такие как петлевая квантовая гравитация и другие, по мнению некоторых, быть перспективными кандидатами на математическое объединение квантовой теории поля и общей теории относительности, требуя менее радикальных изменений существующих теорий. Однако недавние работы накладывают строгие ограничения на предполагаемое влияние квантовой гравитации на скорость света и не одобряют некоторые современные модели квантовой гравитации.

Теория струн

Расширения, исправления, замены и реорганизации Стандартной модели существуют в попытке исправить эти и другие проблемы. Теория струн - одно из таких переосмыслений, и многие физики-теоретики думают, что такие теории - следующий теоретический шаг к истинной Теории Всего.

Среди многочисленных вариантов теории струн M -теория, математическое существование которой было впервые предложено на Струнной конференции в 1995 году Эдвардом Виттеном, многими считается подходящим "ToE" кандидатом, особенно физиками Брайаном Грином и Стивен Хокинг. Хотя полное математическое описание еще не известно, решения теории существуют для конкретных случаев. В недавних работах также были предложены альтернативные струнные модели, в некоторых из которых отсутствуют различные трудные для проверки особенности M-теории (например, существование многообразий Калаби – Яу, многие дополнительные измерения и т. д.), включая работы хорошо опубликованных физиков, таких как Лиза Рэндалл.

См. также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ресурсы

Последняя правка сделана 2021-06-02 04:39:58
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте