Физика за пределами Стандартной модели

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Фи́зика за преде́лами Станда́ртной моде́ли (иначе называемая Но́вая фи́зика[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 определённых 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[en] и Следующая за минимальной суперсимметричная стандартная модель[en], 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 модели[править | править код]

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

Необъяснённые экспериментальные наблюдения[править | править код]

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[4]. 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 слабо взаимодействует с полями Стандартной модели (наблюдательные данные говорят только о гравитационном взаимодействии). 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[4][5].
  • Аномальное поведение мюона:

Теоретические проблемы[править | править код]

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[4]. 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[en] 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.

Суперсимметрия[править | править код]

Основная статья: Суперсимметрия

Суперсимметрия — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе[9]. 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[10][11].

По состоянию на текущий момент 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 лёгкими по сравнению с обычными частицами[12].

Поиск суперпартнёров обычных частиц — одна из основных задач современной физики высоких энергий[12]. Ожидается, что Большой адронный коллайдер[13] сможет открыть и исследовать суперсимметричные частицы, если они существуют, или поставить под большое сомнение суперсимметричные гипотезы, если ничего не будет обнаружено.

Теории Великого объединения[править | править код]

Основная статья: Теории Великого объединения

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[14]. Популярным выбором для объединяющей группы является специальная унитарная группа в пяти измерениях SU(5) и специальная ортогональная группа в десяти измерениях SO(10)[15].

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[16] и нестабильность протона[17]. Эти предсказания, несмотря на интенсивный поиск, не подтверждаются экспериментально, и это налагает ограничения на возможные GUT.

Квантовая гравитация[править | править код]

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»).

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  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». Дата обращения: 30 июня 2011. Архивировано из оригинала 17 октября 2007 года.
  3. ↑ Lykken, Beyond the Standard Model, arxiv.org:1005.1676. Дата обращения: 30 июня 2011. Архивировано 9 января 2016 года.
  4. ↑ 1 2 3 Валерий Рубаков Назрела необходимость в новой физике. // Знание - сила, 2021, № 6. — с. 47-51
  5. ↑ Лоуренс Максвелл Краусс. Всё из ничего: Как возникла Вселенная. — М.: Альпина нон-фикшн, 2019. — С. 225-226. — 283 с. — 3000 экз. — ISBN 978-5-91671-951-2.
  6. ↑ Intriguing new result from the LHCb experiment at CERN | CERN. Дата обращения: 13 апреля 2021. Архивировано 12 апреля 2021 года.
  7. ↑ Ученые, возможно, обнаружили "пятую силу природы", до сих пор не известную науке Архивная копия от 8 апреля 2021 на Wayback Machine // Русская служба Би-би-си, 7 апреля 2021
  8. ↑ Усилилось расхождение данных LHCb с предсказаниями Стандартной модели • Новости науки. «Элементы». Дата обращения: 9 апреля 2021. Архивировано 25 марта 2021 года.
  9. ↑ Томилин К. А. Фундаментальные физические постоянные в историческом и методологическом аспектах. Архивная копия от 14 июля 2014 на Wayback Machine М.: Физматлит, 2006, 368 с, страница 153. (djvu)
  10. ↑ Simeon Bird, Ilias Cholis, Julian B. Muñoz, Yacine Ali-Haïmoud, Marc Kamionkowski, Ely D. Kovetz, Alvise Raccanelli, Adam G. Riess (2016-03-01). "Did LIGO detect dark matter?" (англ.). Cornell University Library. Архивировано из оригинала 30 марта 2020. Дата обращения: 29 февраля 2020.{{cite news}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
  11. ↑ "Нобелевский лауреат предположил открытие суперсимметрии". Lenta.ru. 2016-03-06. Архивировано из оригинала 20 апреля 2017. Дата обращения: 29 февраля 2020.
  12. ↑ 1 2 Существует ли суперсимметрия в мире элементарных частиц? Дата обращения: 29 февраля 2020. Архивировано 2 июля 2014 года.
  13. ↑ Официальный короткий технический отчёт CERN от 2 июля 2008 года (недоступная ссылка) (англ.)
  14. ↑ Peskin, Michael Edward; Schroeder, Daniel V. An introduction to quantum field theory (англ.). — Addison-Wesley, 1995. — P. 786—791. — ISBN 9780201503975.
  15. ↑ Buchmüller (2002). "Neutrinos, Grand Unification and Leptogenesis". arXiv:hep-ph/0204288v2. {{cite arXiv}}: |class= игнорируется (справка)
  16. ↑ Magnetic Monopoles. Дата обращения: 4 июля 2011. Архивировано 1 апреля 2011 года.
  17. ↑ Pran Nath; Pavel Fileviez Perez (2006). "Proton stability in grand unified theories, in strings, and in branes". arXiv:hep-ph/0601023v3. {{cite arXiv}}: |class= игнорируется (справка)

Ссылки[править | править код]

Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Физика_за_пределами_Стандартной_модели&oldid=137273072