Fyzika nad rámec standardního modelu

Fyzika za standardním modelem (jinak nazývaná New Physics [1] ) odkazuje na teoretický vývoj , který je potřebný k vysvětlení nedostatků Standardního modelu , jako je původ hmoty , silný problém CP , oscilace neutrin , asymetrie hmoty. a antihmota , původ temné hmoty a temné energie . [2] Další problém spočívá v matematických základech samotného standardního modelu – standardní model není v souladu s obecnou relativitouv tom smyslu, že jedna nebo obě teorie se za určitých podmínek rozpadají ve svých popisech na menší (například v rámci známých časoprostorových singularit , jako je Velký třesk a horizonty událostí černé díry ).

Teorie, které leží mimo standardní model, zahrnují různá rozšíření standardního modelu prostřednictvím supersymetrie [1] , jako je minimální supersymetrický standardní model a vedle minimálního supersymetrického standardního modelu , nebo zcela nová vysvětlení, jako např . teorie , M-teorie a extra dimenze . Protože tyto teorie bývají v naprosté shodě se současnými pozorovatelnými jevy nebo nejsou vedeny do bodu konkrétních předpovědí, otázka, která teorie je správná (nebo alespoň „nejlepší krok“ k teorii všeho ), může být pouze rozhodnuto experimentem.. V současné době je to jedna z nejaktivnějších oblastí výzkumu v teoretické i experimentální fyzice .

Problémy se standardním modelem

Ačkoli je standardní model v současnosti nejúspěšnější teorií ve fyzice částic , není dokonalý. [3]

Nevysvětlená experimentální pozorování

Existuje řada experimentálních pozorování přírody, pro která standardní model neposkytuje adekvátní vysvětlení.

• Gravitace . Standardní model neposkytuje vysvětlení gravitace. Navíc je neslučitelná s dosud nejúspěšnější teorií gravitace, Obecnou teorií relativity .
• Temná hmota a temná energie . Kosmologická pozorování nám říkají, že standardní model může vysvětlit pouze asi 4,5 % hmoty ve vesmíru . [4] Z chybějících 95,5 % by asi 22,5 % měla být temná hmota, tedy hmota, která se chová úplně stejně jako jiná hmota, kterou známe, ale která slabě interaguje s poli Standardního modelu (pozorovací data vypovídají pouze o gravitační interakci) . Zbytek musí být temná energie, konstantní hustota energie vakua. Pokusy vysvětlit temnou energii pomocí energie vakua Standardního modelu ( Planckova energie ) vedou k nesrovnalosti o 120 řádů.
• Hmotnosti neutrin . Podle standardního modelu jsou neutrina částice bez hmotnosti . Experimenty s oscilací neutrin však ukázaly, že neutrina mají hmotnost. Hmotnostní členy pro neutrina lze do standardního modelu přidat ručně, ale to vede k novým teoretickým problémům (například hmotnostní členy musí být extrémně malé).
• Asymetrie hmoty a antihmoty . Vesmír je tvořen převážně hmotou. Standardní model však předpovídá, že hmota a antihmota by musely být vytvořeny v (téměř) stejném množství, aby se navzájem anihilovaly, jak se vesmír ochlazuje. [čtyři]
• Anomální chování mionu :
  • Porušení leptonové univerzality. Rozpad B-mezonu s emisí mionových párů je o 15 % méně častý než u emise elektronových párů, i když podle SM by tyto dva rozpadové kanály měly být stejně pravděpodobné [5] .
  • Měření g-faktoru mionového anomálního magnetického momentu v experimentech Muon g-2 nesouhlasí s předpovědí SM [6] [7] .

Teoretické problémy

Některé funkce standardního modelu jsou přidány zvláštním způsobem. Samy o sobě nepředstavují problém (to znamená, že teorie s těmito speciálními rysy dobře funguje), ale naznačují nedostatek porozumění. Tyto speciální rysy přiměly teoretiky k hledání zásadnějších teorií s méně parametry. Některé ze speciálních funkcí:

• Problém fermionské masové hierarchie . Standardní model zavádí hmoty částic prostřednictvím procesu známého jako spontánní narušení symetrie způsobené Higgsovým polem . Podle standardního modelu dostává Higgsova hmota některé velmi velké kvantové korekce kvůli přítomnosti virtuálních částic (hlavně virtuálních top kvarků ). Tyto korekce jsou mnohem větší než skutečná Higgsova hmotnost. [4] To znamená, že parametr holé hmotnosti Higgsova modelu ve standardním modelu musí být doladěn způsobem, který téměř úplně zruší kvantové korekce. Tato úroveň jemného ladění je mnohými teoretiky považována nepřirozenou .
• Silný problém s CP . Teoreticky lze tvrdit, že Standardní model by měl obsahovat termín, který naruší CP symetrii mezi hmotou a antihmotou  – z hlediska silné interakce . Experimentálně však žádné takové porušení zjištěno nebylo, což znamená, že koeficient v tomto termínu je velmi blízký nule. Toto jemné doladění je také považováno za nepřirozené.
• Počet parametrů . Standardní model závisí na 19 číselných parametrech. Jejich hodnoty jsou známy z experimentu, ale původ hodnot není znám. Někteří teoretici se pokusili najít vztah mezi různými parametry, například mezi hmotnostmi částic v různých generacích .

Supersymetrie

Supersymetrie je hypotetická symetrie spojující bosony a fermiony v přírodě [8] . Abstraktní supersymetrická transformace spojuje bosonická a fermionická kvantová pole , takže se mohou vzájemně proměnit. Obrazně můžeme říci, že transformace supersymetrie může převést hmotu na interakci (nebo na záření ) a naopak.

Supersymetrie zahrnuje zdvojnásobení (alespoň) počtu známých elementárních částic díky přítomnosti superpartnerů. Například pro foton  - fotino, kvark  - squark , higgs  - higgsino a tak dále. Superpartneři musí mít hodnotu rotace, která je o půl celého čísla odlišná od hodnoty rotace původní částice [9] [10] .

V současné době je supersymetrie fyzikální hypotéza, která nebyla experimentálně potvrzena. Je naprosto prokázáno, že náš svět není supersymetrický ve smyslu přesné symetrie, protože v každém supersymetrickém modelu musí mít fermiony a bosony spojené supersymetrickou transformací stejnou hmotnost , náboj a další kvantová čísla (s výjimkou spinu ). Tento požadavek není splněn pro částice známé v přírodě. Předpokládá se však, že existuje energetický limit, za kterým pole podléhají supersymetrickým transformacím, ale nikoli v rámci limitu. V tomto případě se superpartnerské částice běžných částic ukáží jako velmi lehké ve srovnání s běžnými částicemi [11] .

Hledání superpartnerů obyčejných částic je jedním z hlavních úkolů moderní fyziky vysokých energií [11] . Očekává se, že Velký hadronový urychlovač [12] bude schopen objevit a prozkoumat supersymetrické částice, pokud existují, nebo zpochybnit supersymetrické hypotézy, pokud se nic nenajde.

Velké sjednocené teorie

Standardní model má tři kalibrační symetrie : barvy SU(3) , slabý isospin SU(2) a hypernáboj U(1) odpovídající třem základním silám. V důsledku renormalizace se vazebné konstanty každé z těchto symetrií mění v závislosti na energii, při které jsou měřeny. Kolem 10 19 GeV se tyto vazby přibližně vyrovnají. To vedlo k návrhu, že nad touto energií jsou tři kalibrační symetrie Standardního modelu kombinovány v jedné kalibrační symetrii s jednoduchou skupinou kalibračních skupin a pouze jednou vazebnou konstantou. Pod touto energií se symetrie spontánně rozbije na standardní modelové symetrie. [13] Populárními volbami pro sjednocující grupu jsou speciální unitární grupa v pěti dimenzích SU(5) a speciální ortogonální grupa v deseti dimenzích SO(10) . [čtrnáct]

Teorie, které tímto způsobem sjednocují symetrie Standardního modelu, se nazývají Grand Unification Theories ( GUT   ) a škála energií, při kterých je sjednocená symetrie porušena, se nazývá škála GUT. Obecně platí, že Velké sjednocené teorie předpovídají vytvoření magnetických monopólů v raném vesmíru [15] a nestabilitu protonu . [16] Tyto předpovědi, navzdory intenzivnímu pátrání, nejsou experimentálně potvrzeny, což ukládá omezení na možné GUT.

Kvantová gravitace

Kvantová gravitace je směr výzkumu v teoretické fyzice , jehož účelem je kvantový popis gravitační interakce (a v případě úspěchu sjednocení gravitace s dalšími třemi základními interakcemi tímto způsobem , tedy konstrukce tzv. " teorie všeho ").

• Smyčka kvantové gravitace
• Teorie strun
• M-teorie

Ostatní

• Velké dodatečné rozměry (ADD model)
• Model Randall - Sandrum
• Kaluza-Klein teorie
• Dvojitá speciální teorie relativity
• Výjimečně jednoduchá teorie všeho
• Měřicí teorie gravitace
• supergravitace
• Bosonická teorie strun
• teorie superstrun
• Yang-Millsova teorie
• Technicolor
• Jemné ladění
• Topologická kvantová teorie pole

Viz také

• Higgsův mechanismus
• Higgs-free modely
• kvantová chromodynamika
• Přirozenost
• Holografický princip
• Ashtekarské proměnné (nové proměnné)
• Kauzální dynamická triangulace
• Nekomutativní geometrie
• Fyzika kondenzovaných látek
• Částicová fyzika
• Elektroslabá interakce
• Spontánní porušení elektroslabé symetrie
• Preon
• Twistor
• Nevyřešené problémy moderní fyziky

Poznámky

1. ↑ 1 2 Nad rámec standardního modelu . Elements.ru. Získáno 10. 5. 2013. Archivováno z originálu 12. 5. 2013. (neurčitý)
2. ↑ J. Womersley. Nad rámec standardního modelu. (nedostupný odkaz) . Získáno 30. června 2011. Archivováno z originálu dne 17. října 2007. (neurčitý) 
3. ↑ Lykken, Beyond the Standard Model , arxiv.org:1005.1676. . Datum přístupu: 30. června 2011. Archivováno z originálu 9. ledna 2016. (neurčitý)
4. ↑ 1 2 3 Valery Rubakov Je potřeba nová fyzika. // Knowledge is power , 2021, č. 6. - str. 47-51
5. ↑ Zajímavý nový výsledek experimentu LHCb v CERNu | CERN . Získáno 13. dubna 2021. Archivováno z originálu dne 12. dubna 2021. (neurčitý)
6. ↑ Vědci možná objevili „pátou sílu přírody“, vědě stále neznámou Archivní kopie z 8. dubna 2021 na Wayback Machine // BBC Russian Service , 7. dubna 2021
7. ↑ Nesrovnalosti mezi údaji o LHCb a předpovědi standardního modelu se zvýšily • Science News . "Prvky" . Získáno 9. dubna 2021. Archivováno z originálu dne 25. března 2021. (Ruština)
8. ↑ Tomilin K. A. Základní fyzikální konstanty v historických a metodologických aspektech. Archivní kopie ze dne 14. července 2014 na Wayback Machine M .: Fizmatlit, 2006, 368 s, str. 153. (djvu)
9. ↑ Simeon Bird, Ilias Cholis, Julian B. Muñoz, Yacine Ali-Haïmoud, Marc Kamionkowski, Ely D. Kovetz, Alvise Raccanelli, Adam G. Riess . Detekovalo LIGO temnou hmotu?  (anglicky) , Cornell University Library (1. března 2016). Archivováno 30. března 2020. Staženo 29. února 2020.
10. ↑ Nositel Nobelovy ceny navrhl objev supersymetrie  (ruština) , Lenta.ru (6. března 2016). Archivováno z originálu 20. dubna 2017. Staženo 29. února 2020.
11. ↑ 1 2 Existuje ve světě elementárních částic supersymetrie? . Datum přístupu: 29. února 2020. Archivováno z originálu 2. července 2014. (neurčitý)
12. ↑ Oficiální krátká technická zpráva CERN 2. července 2008  (odkaz není k dispozici  )
13. ↑ Peskin, Michael Edward; Schroeder, Daniel V. Úvod do kvantové teorie pole  (neurčitý) . - Addison-Wesley , 1995. - S. 786-791. — ISBN 9780201503975 .
14. ↑ Buchmüller (2002), Neutrina, velké sjednocení a leptogeneze, arΧiv : hep-ph/0204288v2 [hep-ph]. 
15. ↑ Magnetické monopoly . Získáno 4. července 2011. Archivováno z originálu 1. dubna 2011. (neurčitý)
16. ↑ Pran Nath & Pavel Fileviez Perez (2006), Protonová stabilita ve velkých sjednocených teoriích, ve strunách a v branách, arΧiv : hep-ph/0601023v3 [hep-ph]. 

Odkazy

• Paul Shellard a kol . , Quantum Gravity . Za. z angličtiny. V. G. Misovets. Odkaz zpřístupněn 08:45 23. listopadu 2007 (UTC).
• Zeeya Merali . Oddělení času a prostoru. Nová kvantová teorie odmítá Einsteinův časoprostor // Scientific American . (prosinec 2009)
• GE Gorelik Matvey Bronshtein a kvantová gravitace. K 70. výročí nevyřešeného problému. // Pokroky ve fyzikálních vědách , svazek 175, č. 10 (říjen 2005)