Физика за пределами Стандартной модели

В этой статье не хватает ссылок на источники информации. Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 29 июня 2011.

За пределами Стандартной модели

Стандартная модель

Свидетельства Проблема иерархий • Тёмная материя Проблема космологической постоянной Сильная CP-проблема Нейтринные осцилляции Теории Техниколор Теория Калуцы-Кляйна Теории Великого объединения Теория всего Теория струн Суперсимметрия MSSM • Теория суперструн Супергравитация Квантовая гравитация Теория струн Петлевая квантовая гравитация Причинная динамическая триангуляция Каноническая квантовая гравитация Эксперименты Gran Sasso • INO • БАК SNO • Super-K • Теватрон

См. также: Портал:Физика

Физика за пределами Стандартной модели (иначе называемая Новая физика) 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.^[1] 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, такие как Минимальная суперсимметричная стандартная модель (англ.)русск. и Следующая за минимальной суперсимметричная стандартная модель (англ.)русск., 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

Несмотря на то, что Стандартная модель в настоящее время является наиболее успешной теорией физики элементарных частиц, она несовершенна.^[2]

Необъяснённые экспериментальные наблюдения

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 % процентов 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 проблемы

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 (англ.)русск. Хиггса в Стандартной модели должен быть тонко настроен (англ.)русск. таким способом, который почти полностью отменяет квантовые поправки. Этот уровень тонкой настройки считается неестественным (англ.)русск. 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.

Теории Великого объединения

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.^[3] Популярным выбором для объединяющей группы является специальная унитарная группа в пяти измерениях SU(5) и специальная ортогональная группа в десяти измерениях SO(10) (англ.)русск..^[4]

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^[5] и нестабильность протона.^[6] Эти предсказания, несмотря на интенсивный поиск, не подтверждаются экспериментально, и это налагает ограничения на возможные GUT.

См. также

• Бесхиггсовские модели
• Большой адронный коллайдер
• Большие дополнительные измерения (ADD-модель) (англ.)русск.
• Голографический принцип
• Двойная СТО (DSR, Doubly special relativity) (англ.)русск.
• Естественность (англ.)русск.
• Исключительно простая теория всего
• Калибровочная теория гравитации
• Квантовая хромодинамика
• Механизм Хиггса
• Модель Рэндалл — Сандрама (англ.)русск.
• Некоммутативная геометрия (англ.)русск.
• Нерешённые проблемы современной физики
• Переменные Аштекара (Новые переменные) (англ.)русск.
• Петлевая квантовая гравитация
• Поле Хиггса
• Преон
• Причинная динамическая триангуляция (англ.)русск.
• Спонтанное нарушение электрослабой симметрии
• Стандартная модель
• Супергравитация
• Суперсимметрия
• Твистор
• Теория бозонных струн
• Теории Великого объединения
• Теория Калуцы — Клейна
• Теория струн
• Теория суперструн
• Теория Янга — Миллса
• Техниколор (англ.)русск.
• Тонкая настройка (англ.)русск.
• Топологическая квантовая теория поля (англ.)русск.
• Физика конденсированного состояния
• Физика нечастиц (англ.)русск.
• Электрослабое взаимодействие

Примечания

1. ↑ J. Womersley. «Beyond the Standard Model».
2. ↑ Lykken, Beyond the Standard Model, arxiv.org:1005.1676.
3. ↑ An introduction to quantum field theory. — Addison-Wesley, 1995. — P. 786–791. — ISBN 9780201503975
4. ↑ Buchmüller (2002), "Neutrinos, Grand Unification and Leptogenesis", arΧiv:hep-ph/0204288v2 [hep-ph] 
5. ↑ Magnetic Monopoles
6. ↑ Pran Nath & Pavel Fileviez Perez (2006), "Proton stability in grand unified theories, in strings, and in branes", arΧiv:hep-ph/0601023v3 [hep-ph]