Fizica dincolo de modelul standard
Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de
versiunea revizuită la 30 ianuarie 2021; verificările necesită
12 modificări .
Fizica dincolo de Modelul Standard (altfel numit New Physics [1] ) se referă la dezvoltările teoretice care sunt necesare pentru a explica deficiențele Modelului Standard , cum ar fi originea masei , problema CP puternică , oscilațiile neutrinilor , asimetria materiei. și antimateria , originea materiei întunecate și energia întunecată . [2] O altă problemă constă în fundamentele matematice ale Modelului Standard în sine - Modelul Standard nu este în concordanță cu teoria generală a relativității în sensul că una sau ambele teorii se destramă în descrierile lor în altele mai mici în anumite condiții (de exemplu , în cadrul singularităților cunoscute ale spațiu-timpului , cum ar fi Big Bang-ul și orizonturile de evenimente ale găurii negre ).
Teoriile care se află în afara modelului standard includ diverse extensii ale modelului standard prin supersimetrie [1] , cum ar fi Minimum Supersymmetric Standard Model și Alături de Minimum Supersymmetric Standard Model , sau explicații complet noi, cum ar fi string teorie , teoria M și dimensiuni suplimentare . Deoarece aceste teorii tind să fie în total acord cu fenomenele observabile curente sau nu sunt conduse până la predicții concrete, întrebarea despre care teorie este corectă (sau cel puțin „cel mai bun pas” către o Teorie a Totului ) poate fi doar decis prin experiment... În prezent, este unul dintre cele mai active domenii de cercetare atât în fizica teoretică, cât și în cea experimentală .
Probleme cu modelul standard
Deși modelul standard este în prezent cea mai de succes teorie din fizica particulelor , nu este perfect. [3]
Observații experimentale inexplicabile
Există o serie de observații experimentale ale naturii pentru care Modelul Standard nu oferă o explicație adecvată.
- Gravitația . Modelul standard nu oferă o explicație pentru gravitație. În plus, este incompatibil cu cea mai de succes teorie a gravitației de până acum, Teoria Generală a Relativității .
- Materia întunecată și energia întunecată . Observațiile cosmologice ne spun că Modelul Standard poate explica doar aproximativ 4,5% din materia din univers . [4] Din cei 95,5% lipsă, aproximativ 22,5% ar trebui să fie materie întunecată, adică materie care se comportă exact ca alte materie pe care le cunoaștem, dar care interacționează slab cu câmpurile Modelului Standard (datele observaționale vorbesc doar despre interacțiunea gravitațională) . Restul trebuie să fie energie întunecată, o densitate constantă de energie a vidului. Încercările de a explica energia întunecată în termenii energiei de vid a modelului standard ( energia Planck ) duc la o discrepanță de 120 de ordine de mărime.
- Mase de neutrini . Conform modelului standard, neutrinii sunt particule fără masă . Cu toate acestea, experimentele de oscilație a neutrinilor au arătat că neutrinii au masă. Termenii de masă pentru neutrini pot fi adăugați manual la Modelul Standard, dar acest lucru duce la noi probleme teoretice (de exemplu, termenii de masă trebuie să fie extrem de mici).
- Asimetria materiei si antimateriei . Universul este alcătuit în mare parte din materie. Cu toate acestea, Modelul Standard prezice că materia și antimateria ar trebui create în cantități (aproape) egale pentru a se anihila reciproc pe măsură ce universul se va răci. [patru]
- Comportamentul anormal al muonului :
- Încălcarea universalității leptonilor. Dezintegrarea mezonului B cu emisia de perechi de muoni este cu 15% mai puțin frecventă decât cu emisia de perechi de electroni, deși conform SM aceste două canale de dezintegrare ar trebui să fie la fel de probabile [5] .
- Măsurătorile factorului g al momentului magnetic anormal al muonului în experimentele Muon g-2 nu sunt de acord cu predicțiile SM [6] [7] .
Probleme teoretice
Unele caracteristici ale modelului standard sunt adăugate într-un mod special. Nu reprezintă o problemă în sine (adică teoria funcționează bine cu aceste caracteristici speciale), dar sugerează o lipsă de înțelegere. Aceste caracteristici speciale i-au determinat pe teoreticieni să caute mai multe teorii fundamentale cu mai puțini parametri. Câteva dintre caracteristicile speciale:
- Problema ierarhiei de masă Fermion . Modelul standard introduce mase de particule printr-un proces cunoscut sub numele de rupere spontană a simetriei , cauzată de câmpul Higgs . Conform modelului standard, masa Higgs primește unele corecții cuantice foarte mari datorită prezenței particulelor virtuale (în principal quarci virtuali de top ). Aceste corecții sunt mult mai mari decât masa reală a lui Higgs. [4] Aceasta înseamnă că parametrul de masă goală al lui Higgs din modelul standard trebuie ajustat într-un mod care anulează aproape complet corecțiile cuantice. Acest nivel de reglare fină este considerat nenatural mulți teoreticieni.
- Problemă CP puternică . Teoretic, se poate argumenta că Modelul Standard ar trebui să conțină un termen care rupe simetria CP dintre materie și antimaterie - în ceea ce privește interacțiunea puternică . Experimental, însă, nu a fost găsită o astfel de încălcare, ceea ce înseamnă că coeficientul la acest termen este foarte aproape de zero. Acest reglaj fin este, de asemenea, considerat nenatural.
- Numărul de parametri . Modelul standard depinde de 19 parametri numerici. Valorile lor sunt cunoscute din experiment, dar originea valorilor este necunoscută. Unii teoreticieni au încercat să găsească o relație între diferiți parametri, cum ar fi între masele particulelor din diferite generații .
Supersimetrie
Supersimetria este o simetrie ipotetică care leagă bozonii și fermionii în natură [8] . O transformare abstractă de supersimetrie leagă câmpurile cuantice bosonice și fermionice , astfel încât acestea să se poată transforma unul în celălalt. În mod figurat, putem spune că transformarea supersimetriei poate traduce materia în interacțiune (sau în radiație ) și invers.
Supersimetria presupune dublarea (cel puțin) a numărului de particule elementare cunoscute datorită prezenței superpartenerilor. De exemplu, pentru un foton - photino, quark - squark , higgs - higgsino și așa mai departe. Superpartenerii trebuie să aibă o valoare de spin care este un număr întreg diferit de valoarea de spin a particulei originale [9] [10] .
În momentul de față, supersimetria este o ipoteză fizică care nu a fost confirmată experimental. Este absolut stabilit că lumea noastră nu este supersimetrică în sensul simetriei exacte, deoarece în orice model supersimetric, fermionii și bosonii legați printr-o transformare supersimetrică trebuie să aibă aceeași masă , sarcină și alte numere cuantice (cu excepția spinului ). Această cerință nu este îndeplinită pentru particulele cunoscute în natură. Se presupune, însă, că există o limită de energie dincolo de care câmpurile sunt supuse transformărilor supersimetrice, dar nu în limită. În acest caz, particulele superpartenere ale particulelor obișnuite se dovedesc a fi foarte ușoare în comparație cu particulele obișnuite [11] .
Căutarea de superparteneri ai particulelor obișnuite este una dintre sarcinile principale ale fizicii moderne de înaltă energie [11] . Este de așteptat ca Large Hadron Collider [12] să poată descoperi și investiga particule supersimetrice, dacă acestea există, sau să pună la îndoială ipotezele supersimetrice dacă nu se găsește nimic.
Marile teorii unificate
Modelul standard are trei simetrii de gabarit : culorile SU(3) , isospin slab SU(2) și hipersarcina U(1) corespunzătoare a trei forțe fundamentale. Datorită renormalizării , constantele de cuplare ale fiecăreia dintre aceste simetrii se modifică în funcție de energia la care sunt măsurate. În jurul valorii de 10 19 GeV, aceste legături devin aproximativ egale. Acest lucru a condus la sugestia că peste această energie cele trei simetrii de măsurare ale modelului standard sunt combinate într-o simetrie de măsurare cu un grup simplu de grup de indicatori și o singură constantă de cuplare. Sub această energie, simetria este spartă spontan la simetriile modelului standard. [13] Opțiunile populare pentru grupul de unificare sunt grupul unitar special în cinci dimensiuni SU(5) și grupul ortogonal special în zece dimensiuni SO(10) . [paisprezece]
Teoriile care unifică simetriile Modelului Standard în acest fel sunt numite Teorii Marii Unificații ( GUTs ), iar scara de energii la care se întrerupe simetria unificată se numește scara GUT. În general, Marile Teorii Unificate prezic crearea monopolurilor magnetice în Universul timpuriu [15] și instabilitatea protonului . [16] Aceste predicții, în ciuda căutărilor intensive, nu sunt confirmate experimental, iar acest lucru impune restricții asupra posibilelor GUT.
Gravitația cuantică
Gravitația cuantică este o linie de cercetare în fizica teoretică , al cărei scop este o descriere cuantică a interacțiunii gravitaționale (și, dacă reușește, unificarea gravitației cu celelalte trei interacțiuni fundamentale în acest fel , adică construirea așa-numita „ teoria totul ”).
Altele
Vezi și
Note
- ↑ 1 2 Dincolo de modelul standard . Elements.ru. Preluat la 10 mai 2013. Arhivat din original la 12 mai 2013. (nedefinit)
- ↑ J. Womersley. Dincolo de modelul standard. (link indisponibil) . Consultat la 30 iunie 2011. Arhivat din original la 17 octombrie 2007. (nedefinit)
- ↑ Lykken, Dincolo de modelul standard , arxiv.org:1005.1676. . Data accesului: 30 iunie 2011. Arhivat din original la 9 ianuarie 2016. (nedefinit)
- ↑ 1 2 3 Valery Rubakov Este nevoie de o nouă fizică. // Cunoașterea este putere , 2021, nr. 6. - p. 47-51
- ↑ Un nou rezultat intrigant din experimentul LHCb de la CERN | CERN . Preluat la 13 aprilie 2021. Arhivat din original la 12 aprilie 2021. (nedefinit)
- ↑ Este posibil ca oamenii de știință să fi descoperit „a cincea forță a naturii”, încă necunoscută științei . Copie de arhivă din 8 aprilie 2021 la Wayback Machine // BBC Russian Service , 7 aprilie 2021
- ↑ Discrepanța dintre datele LHCb și previziunile modelului standard a crescut • Știri științifice . „Elemente” . Preluat la 9 aprilie 2021. Arhivat din original la 25 martie 2021. (Rusă)
- ↑ Tomilin K. A. Constante fizice fundamentale în aspecte istorice și metodologice. Copie de arhivă din 14 iulie 2014 la Wayback Machine M .: Fizmatlit, 2006, 368 s, pagina 153. (djvu)
- ↑ Simeon Bird, Ilias Cholis, Julian B. Muñoz, Yacine Ali-Haïmoud, Marc Kamionkowski, Ely D. Kovetz, Alvise Raccanelli, Adam G. Riess . LIGO a detectat materia întunecată? (engleză) , Biblioteca Universității Cornell (1 martie 2016). Arhivat 30 martie 2020. Preluat la 29 februarie 2020.
- ↑ Laureatul Nobel a sugerat descoperirea supersimetriei (rusă) , Lenta.ru (6 martie 2016). Arhivat din original pe 20 aprilie 2017. Preluat la 29 februarie 2020.
- ↑ 1 2 Există supersimetrie în lumea particulelor elementare? . Data accesului: 29 februarie 2020. Arhivat din original pe 2 iulie 2014. (nedefinit)
- ↑ Raport tehnic scurt oficial CERN 2 iulie 2008 (link nu este disponibil )
- ↑ Peskin, Michael Edward; Schroeder, Daniel V. O introducere în teoria câmpului cuantic (nedefinit) . - Addison-Wesley , 1995. - S. 786-791. — ISBN 9780201503975 .
- ↑ Buchmüller (2002), Neutrinos, Grand Unification and Leptogenesis, arΧiv : hep-ph/0204288v2 [hep-ph].
- ↑ Monopoli magnetici . Preluat la 4 iulie 2011. Arhivat din original la 1 aprilie 2011. (nedefinit)
- ↑ Pran Nath și Pavel Fileviez Perez (2006), Stabilitatea protonilor în teorii grand unificate, în corzi și în brane, arΧiv : hep-ph/0601023v3 [hep-ph].
Link -uri