Стандартная модель не может быть всем, что есть. Вот пять веских причин, почему.
«Помимо законов физики, правила никогда не работали для меня». - Крейг Фергюсон
Два года назад были представлены данные об измерении очень редкой скорости распада , хотя и не невероятно точно , которые указывают на то, что Стандартная модель - это то, насколько новые частицы, доступные для коллайдеров (таких как БАК),. С подтвержденным открытием в прошлом году, что недавно открытая фундаментальная частица с энергией 126 ГэВ была, по сути, давно разыскиваемым бозоном Хиггса, мы теперь обнаружили каждую частицу, предсказанную самой успешной теорией физики элементарных частиц всех времен.
Другими словами, если нас не постигнет большой физический сюрприз, БАК прославится тем, что обнаружил бозон Хиггса и ничего более фундаментального, а это означает, что нет окна в то, что находится за пределами Стандартной модели. через традиционную экспериментальную физику элементарных частиц.
Но это ни в коем случае не означает, что «Стандартная модель - это все, что существует». Наоборот, существует большое количество наблюдений, которые совершенно ясно говорят нам о том, что Вселенная, скорее всего, представляет собой нечто большее, чем просто кварки, лептоны и бозоны Стандартной модели. В то время как эксперименты говорят нам, что низкоэнергетическая суперсимметрия и дополнительные измерения, вероятно, не существуют (и БАК либо выявит их, либо еще больше ограничит до точки неактуальности), существует множество свидетельств того, что большесуществования, чем только эти частицы Стандартной модели, античастицы и их взаимодействия.
Что еще там? Давайте взглянем на 5 главных ключей к физике за пределами Стандартной модели!
1.) Темная материя. От структурообразования до сталкивающихся скоплений галактик, от гравитационного линзирования до нуклеосинтеза Большого взрыва, от барионных акустических колебаний На фоне анизотропии космического микроволнового фона становится ясно, что обычная материя - вещество, состоящее из частиц стандартной модели - составляет лишь около 15% от общей массы Вселенной. Остальная часть просто не имеет этих сильных или электромагнитных взаимодействий, а нейтрино имеют недостаточную массу, чтобы составлять более 1% пропавших без вести. Но тем не менее, если мы посмотрим на влияние гравитации на Вселенную, то увидим, что существует некий тип материи, который не взаимодействует со светом так, как это делают все заряженные и нейтральные частицы Стандартной модели.
Если темная материя является частицей - и то, как она сгущается и сгущается, убедительно свидетельствует об этом - , это должна быть частица за пределами стандартной модели. Каковы его свойства, в настоящее время остается открытым вопросом в физике, и хотя появилось много кандидатов, ни один из них не является особенно убедительным, чем любой другой. Возможно, для объяснения этого есть как минимум одна новая частица, которой нет в Стандартной модели, но мы еще не обнаружили ее напрямую.
2.) Массивные нейтрино. Согласно Стандартной модели, частицы могут быть либо безмассовыми - как фотон и глюон - или имеют массу, определяемую их взаимодействием с полем Хиггса. Существует диапазон этих взаимодействий, и поэтому мы получаем частицы, такие же легкие, как электрон - при энергии всего 0,05% ГэВ (где 0,938 ГэВ - масса протона) и такие же тяжелые, как топ-кварк, который наклоняет массовые масштабы около 170-175 ГэВ. Но есть и нейтрино.
В течение последнего десятилетия, когда массы нейтрино впервые были ограничены (через нейтринные осцилляции), многих удивило то, что они оказались очень малыми по массе, но определенно ненулевыми.. Почему?Общий способ объяснения этого - механизм качелей - обычно включает в себя дополнительные, очень тяжелые частицы (например, в миллиард или триллион раз более массивные, чем частицы Стандартной модели), которые являются расширениями Стандартной модели; без новой частицы их крошечные, крошечные массы (всего одна миллиардная часть массы электрона) совершенно необъяснимы. Независимо от того, существуют ли частицы типа качелей или есть какое-то другое объяснение, эти массивные нейтрино почти определенно в некотором роде указывают на новую физику за пределами Стандартной модели.
3.) Проблема сильной СР. Если вы поменяли местами все частицы, участвующие во взаимодействии, с их античастицами, вы могли бы ожидать, что законы физики останутся теми же: это известно как зарядовое сопряжение или C-симметрия.. Если бы вы отражали частицы в зеркале, вы, вероятно, ожидали бы, что отраженные частицы будут вести себя так же, как и их отражения: это известно как четность или P-симметрия. Есть примеры, когда одна из этих симметрий нарушается в природе, и в Слабых взаимодействиях (опосредованных W- и Z-бозонами) нет ничего, что запрещало бы C и P нарушаться вместе.
На самом деле, это CP-нарушение действительно имеет место для слабых взаимодействий (и было измерено в нескольких экспериментах), и очень важно по ряду теоретических причин. Что ж, в том же духе в Стандартной модели нет ничего, что запрещало бы СР-нарушение в сильных взаимодействиях. Но нет ни одного наблюдаемого с отклонением менее 0,0000001% от ожидаемого (слабого масштаба) значения!
Почему нет? Что ж, почти любое физическое объяснение (в отличие от необъяснения «просто так забавно») приводит к существованию новой частицы за пределами Стандартной модели, которая также может быть хорошим кандидатом для решения проблемы1: проблема темной материи! Но как ни крути, Стандартная модель не объясняет наблюдаемого отсутствия сильного СР-нарушения; нам понадобится новая физика, чтобы объяснить это.
4.) Квантовая гравитация. Стандартная модель не делает никаких усилий и не претендует на то, чтобы включить в нее гравитационную силу/взаимодействие. Но наша нынешняя лучшая теория гравитации - Общая теория относительности - не имеет смысла при чрезвычайно большом гравитационном поле или чрезвычайно малых расстояниях; сингулярности, которые она дает нам, указывают на то, что физика разрушается. Чтобы объяснить, что там происходит, потребуется более полная, или квантовая, теория гравитации. Вы могли бы подумать: «Ну, три другие силы квантованы, но, может быть, гравитация не обязательно должна быть квантованной», и это было бы разумным предположением, за исключением одного момента.
Недавно опубликованные результаты BICEP2 - предполагая, что обнаруженная им поляризация B-моды на самом деле возникла из-за инфляции - не могла быть создана первичными гравитационными волнами если только гравитация была квантовая теория! (Если вы хотите, чтобы квантовые флуктуации распространялись по всей Вселенной, ваше поле - в данном случае гравитационное - должно быть квантовым.)
Теперь мы не знаем, как создать рабочую теорию квантовой гравитации. Теория струн - это возможность (и, возможно, единственная жизнеспособная игра в городе), но у всех возможностей есть одна общая черта - существование новой частицы: безмассовый гравитон со спином 2. Это может быть самым неуловимым и самым фундаментальным из предсказаний за пределами Стандартной модели, но есть одно неизбежное предсказание: существует по крайней мере одна (а возможно, и больше) новая частица, если гравитация может, на самом деле, быть квантованным.
И наконец…
5.) Бариогенез. Во Вселенной больше материи, чем антиматерии, и хотя мы можем многое сказать о том, почему и как, мы точно не знаем, по какому пути Вселенная пришла к такой конфигурации. Для объяснения асимметрии материи и антиматерии не обязательно должны существовать какие-либо новые частицы, но из четырех наиболее распространенных способов ее создания (ТВО, электрослабый, лептогенез и Аффлек-Дайн) только один (электрослабый бариогенез) не работает. Это обязательно связано с существованием новых частиц, выходящих за рамки Стандартной модели.
Хотя даже в этом случае нужно было бы задействовать новую физику; физика, не являющаяся частью Стандартной модели.
Теперь возможно, что многие из этих проблем связаны между собой, и что могут быть даже только одна или две новые частицы и/или части физики, которые объясняют решение всех из них. Но также возможно, что существуют не только новые частицы и/или новая физика для каждой из этих проблем в отдельности, но и новые направления в физике откроют еще больше физики за пределами стандартной модели. Некоторые возможности включают в себя то, что существует частица (или более одной), возможно, связанная с темной энергией, могут быть магнитные монополи, великое объединение, преоны (меньшие частицы, составляющие кварки и лептоны), и дверь все еще открыта для частиц из любых дополнительных размеры или суперсимметрия.
Но могло быть и что-то еще проще. Рассмотрим, если хотите, простой атом, состоящий из протонов, нейтронов и электронов.
Электрон - полностью стабильная частица. В то время как свободный нейтрон будет распадаться, свободный протон считается полностью стабильным. Но это не обязательно полностью стабильно. С помощью гигантских экспериментов, включающих астрономическое количество атомов, мы определили, что время жизни протона превышает по крайней мере 10^35 лет, что поразительно.
Но это не бесконечно. Если протон в конце концов распадается и его период полураспада меньше бесконечности, это означает, что существуют новые частицы за пределами Стандартной модели. И хотя когда-то считалось, что 83-й элемент периодической таблицы стабилен…
теперь (по состоянию на 2003 г.) мы знаем, что период его полураспада составит ~10^19 лет. Но в еще более длительных временных масштабах, возможно, распадутся и свинец, железо или даже один протон! Все эти измерения могут указать путь к новым частицам.
Но даже если новые частицы, которые должны существовать для поддержки этих наблюдений, недоступны для коллайдеров частиц (таких как БАК), нас ждут новые интересные открытия при высоких энергиях в рамках Стандартной модели!
Экзотические состояния материи - такие как тетракварки и пентакварки - предсказываются Стандартной моделью, и все же они только (и даже при этом только возможно) начинают открываться сейчас. И есть одно предсказание Стандартной модели - следствие сильного взаимодействия и КХД - , которое также должно существовать и может быть обнаружено на БАК.
Даже если нет ничего, кроме Стандартной модели, одно забавное предсказание - существование глюболов или связанных состояний глюонов. Они должны быть обнаружены в предстоящих экспериментах на коллайдерах частиц. Если их не существует или они не появляются там, где должны, это большая проблема для квантовой хромодинамики или теории сильных взаимодействий, являющейся частью Стандартной модели. И - если вы не вынесете из этой статьи ничего другого, надеюсь, вы вынесете это - если наши лучшие теории не могут объяснить ни существование, ни отсутствие явления, это хороший показатель того, что во Вселенной есть нечто большее, чем наши лучшие теории диктовать!
Так что следите за этим: нет глюболов=что-то еще не так со стандартной моделью! И вот где мы находимся прямо сейчас. Даже если нет суперсимметрии и дополнительных измерений, нам еще многое предстоит открыть, и у нас есть как минимум пять убедительных фактов наблюдений, которые говорят нам, что Стандартная модель - это не все, что есть во Вселенной. Держите глаза и уши открытыми, и давайте искать вместе!
Взвесьте свое мнение на форуме Starts With A Bang в Scienceblogs!