Кіріспе
Стандартты модельдің белгісіздіктерін түсіндіруге қажетті теориялық дамытулар физикадан тыс (BSM) деп аталады, мысалы, стандартты модельдің негізгі параметрлерін түсіндіре алмауы, күшті CP мәселесі, нейтрино осцилляциялары, материя-антиматерия асимметриясы және қара материя мен қара энергияның мәні. Тағы бір мәселе стандартты модельдің математикалық негізінде жатыр: стандартты модель жалпы салыстырмалылық теориясымен үйлесімсіз, және белгілі бір жағдайларда, мысалы, Ұлы жарылыс және қара тесіктің оқиға горизонттары сияқты кеңістік-уақыт ерекшеліктерінде, бірінші немесе екінші теория бұзылады. Стандартты модельден тыс теорияларға суперсимметрия арқылы стандартты модельдің кеңейтілген түрлері кіреді, мысалы, Минималды суперсимметриялық стандартты модель (MSSM) және Минималды емес суперсимметриялық стандартты модель (NMSSM), сондай-ақ толығымен жаңа түсіндірмелер, мысалы, іс тізбегі теориясы, М теориясы және қосымша өлшемдер. Бұл теориялар қазіргі құбылыстардың барлығын қайта жаңғыртуға бейім болғандықтан, қай теория дұрыс, немесе кем дегенде "бәрінің теориясына" қарай жасалған "ең жақсы қадам" деген сұрақ тек тәжірибелер арқылы шешіледі және теориялық және тәжірибелік физикадағы ең белсенді зерттеу салаларының бірі болып табылады.
Physics beyond the Standard Model (BSM) refers to the theoretical developments needed to explain the deficiencies of the Standard Model, such as the inability to explain the fundamental parameters of the standard model, the strong CP problem, neutrino oscillations, matter–antimatter asymmetry, and the nature of dark matter and dark energy. Another problem lies within the mathematical framework of the Standard Model itself: the Standard Model is inconsistent with that of general relativity, and one or both theories break down under certain conditions, such as spacetime singularities like the Big Bang and black hole event horizons. Theories that lie beyond the Standard Model include various extensions of the standard model through supersymmetry, such as the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) and Next to Minimal Supersymmetric Standard Model (NMSSM), and entirely novel explanations, such as string theory, M theory, and extra dimensions. As these theories tend to reproduce the entirety of current phenomena, the question of which theory is the right one, or at least the "best step" towards a Theory of Everything, can only be settled via experiments, and is one of the most active areas of research in both theoretical and experimental physics.
Стандартты модельдегі проблемалар
Стандартты модель – қазірге дейінгі бөлшектер физикасының ең сәтті теориясы болғанымен, ол толық емес. Теориялық физиктердің жарияланған жұмыстарының үлкен бөлігі "Стандартты модельден тыс" жаңа физика ұсыныстарының әртүрлі түрлеріне арналған, олар қолданыстағы деректермен үйлесімді болу үшін Стандартты модельді оқшау өзгертеді, бірақ оның кемшіліктерін осылай түзету арқылы жаңа эксперименттерде Стандартты модельге жатпайтын нәтижелерді болжауға мүмкіндік береді.
Түсіндірілмеген құбылыстар
Стандартты модель өзінен-өзі толық емес теория. Табиғатта Стандартты модель жеткілікті түрде түсіндірмейтін негізгі физикалық құбылыстар бар: гравитация. Стандартты модель гравитацияны түсіндірмейді. Стандартты модельге гравитонды қосу әдісі, Стандартты модельге әлі табылмаған басқа өзгерістерсіз, тәжірибеде байқалған нәрсені қайта жасай алмайды. Сонымен қатар, Стандартты модель қазіргі кездегі ең табысты ауырлық теориясымен – жалпы салыстырмалылық теориясымен – үйлеспейтін болып саналады. "ХХ ғасыр физикасының ең үлкен жетістіктерінің екеуі, жалпы салыстырмалылық теориясы мен стандартты модель, бір-бірімен түбегейлі үйлеспейтін сияқты көрінеді". – Сушков, Ким және басқалар (2011). "Әдебиетте жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық механиканың үйлеспейтіні туралы мыңдаған мәлімдемелер кездеседі. Бұл мәлімдемелер толығымен ескірген және қазіргі уақытта маңызсыз. Тиімді өріс теориясы жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық механиканың біздің айналамыздағы әлемге қатысты масштабтар мен қисықтықтардың диапазонында қалыпты жұмыс істейтінін көрсетеді. Алайда, тиімді өріс теориялары тек белгілі бір масштабтар диапазонында ғана жарамды. Жалпы салыстырмалылық теориясының өте үлкен масштабта проблемалық мәселелері бар екені анық. Тиімді өріс теориясы шешпейтін маңызды проблемалар бар, өйткені олар оның жарамдылық шегінен тыс. Алайда, бұл кванттық гравитация мәселесі біз ойлағандай емес екенін білдіреді: кванттық механика мен гравитацияның түбегейлі үйлеспеушілігі емес, біз олардың біріктірілген қолданылу аймағынан тыс толық теорияны қажет ететін жағдайға тап болдық. Жалпы салыстырмалылық теориясы мен кванттық механиканың әдеттегі үйлесімі қалыпты энергияда жақсы, бірақ біз енді экстремалды жағдайларда болуы тиіс өзгерістерді анықтауға тырысамыз. Бұл кванттық гравитация мәселесіне қазіргі заманғы көзқарас және ол бұрынғы ескірген көзқарасқа қарағанда прогресті білдіреді". – Донохью (2012). Нейтрино тербелісі. Стандартты модельге сәйкес, нейтринолар тербелмейді. Алайда, эксперименттер мен астрономиялық бақылаулар нейтрино тербелісінің болатынын көрсетті. Бұл әдетте нейтриноның массасы бар деген тұжырыммен түсіндіріледі. Стандартты модельде нейтринолардың массасы жоқ, бірақ нейтринолардың массалық мүшелерін Стандартты модельге қолмен қосуға болады, бірақ бұл жаңа теориялық проблемаларға әкеледі. Мысалы, массалық мүшелер өте кішкентай болуы керек және нейтрино массалары Стандартты модельдегі басқа фундаменталды бөлшектердің массалары сияқты пайда болатыны белгісіз. Нейтрино тербелісіне қатысты Стандартты модельдің басқа кеңейтімдері де бар, олар Лоренцтің бұзуын тудырмайтын нейтринолардың массалық еместігін қабылдамайды. Материя мен антиматерияның асимметриясы. Әлем негізінен материядан тұрады. Алайда, Стандартты модель материя мен антиматерияның (ғаламның бастапқы жағдайлары антиматерияға қатысты шамадан тыс материяны қамтымаса) шамамен бірдей мөлшерде құрылуы керек деп болжайды. Дегенмен, Стандартты модельде бұл асимметрияны жеткілікті түрде түсіндіруге мүмкіндік беретін механизм жоқ.
Gravity. The standard model does not explain gravity. The approach of simply adding a graviton to the Standard Model does not recreate what is observed experimentally without other modifications, as yet undiscovered, to the Standard Model. Moreover, the Standard Model is widely considered to be incompatible with the most successful theory of gravity to date, general relativity. efn|name=Sushkov Kim etal 2011 quote|
"It is remarkable that two of the greatest successes of 20th century physics, general relativity and the standard model, appear to be fundamentally nobr|incompatible." — Sushkov, Kim, et al. (2011)efn|name=Donoghue 2012 quote|
"One can find thousands of statements in the literature to the effect that general relativity and quantum mechanics are incompatible. These are completely outdated and no longer relevant. Effective field theory shows that general relativity and quantum mechanics work together perfectly normally over a range of scales and curvatures, including those relevant for the world that we see around us. However, effective field theories are only valid over some range of scales. General relativity certainly does have problematic issues at extreme scales. There are important problems which the effective field theory does not solve because they are beyond its range of validity. However, this means that the issue of quantum gravity is not what we thought it to be: Rather than a fundamental incompatibility of quantum mechanics and gravity, we are in the more familiar situation of needing a more complete theory beyond the range of their combined applicability. The usual marriage of general relativity and quantum mechanics is fine at ordinary energies, but we now seek to uncover the modifications that must be present in more extreme conditions. This is the modern view of the problem of quantum gravity, and it represents progress over the outdated view nobr|of the past." — Donoghue (2012)
Neutrino oscillations. According to the Standard Model, neutrinos do not oscillate. However, experiments and astronomical observations have shown that neutrino oscillation does occur. These are typically explained by postulating that neutrinos have mass. Neutrinos do not have mass in the Standard Model, and mass terms for the neutrinos can be added to the Standard Model by hand, but these lead to new theoretical problems. For example, the mass terms need to be extraordinarily small and it is not clear if the neutrino masses would arise in the same way that the masses of other fundamental particles do in the Standard Model. There are also other extensions of the Standard Model for neutrino oscillations which do not assume massive neutrinos, such as Lorentz violating neutrino oscillations. Matter–antimatter asymmetry. The universe is made out of mostly matter. However, the standard model predicts that matter and antimatter should have been created in (almost) equal amounts if the initial conditions of the universe did not involve disproportionate matter relative to antimatter. Yet, there is no mechanism in the Standard Model to sufficiently explain this asymmetry.
Теориялық болжаулар орындалмаған
Стандартты модельде болжанған барлық фундаментальды бөлшектердің бөлшектерді соқтығыстырғыштарда бақылануы расталды. Хиггс бозоны Стандартты модельдің Хиггс механизмын түсіндіруімен болжанады, ол әлсіз SU(2) өлшеу симметриясының қалай бұзылатынын және фундаментальды бөлшектердің массаны қалай алатынын сипаттайды; ол Стандартты модельдің болжаған соңғы байқалатын бөлшегі болды. 2012 жылдың 4 шілдесінде ЦЕРН ғалымдары Ұлы адрондық коллайдерді пайдалана отырып, шамамен 126 массасы бар Хиггс бозонына сәйкес келетін бөлшектің табылуын жариялады. 2013 жылдың 14 наурызында Хиггс бозонының бар екені расталды, бірақ оның Стандартты модельдің болжаған барлық қасиеттеріне ие екендігін растау жұмыстары жалғасуда. Стандартты модельде болжанған бірнеше адрон (яғни кварктардан тұратын құрама бөлшектер), олар тек өте жоғары энергияда және өте сирек кездесетін жағдайларда ғана пайда болуы мүмкін, әлі нақты байқалған жоқ, сондай-ақ "клейболдар" (яғни глюондардан тұратын құрама бөлшектер) де әлі нақты байқалған жоқ. Стандартты модельде болжанған кейбір өте сирек кездесетін бөлшектердің ыдырауы да әлі нақты байқалған жоқ, себебі статистикалық мағынада байқау үшін жеткілікті деректер жоқ.
Түсіндірілмейтін қатынастар
Койде формуласы – 1981 жылы Йосио Койде және кейіннен басқалар атап өткен, түсіндірілмейтін эмпирикалық теңдеу. Ол үш зарядталған лептонның массасын байланыстырады: Стандартты модель лептон массаларын болжамайды (олар теорияның еркін параметрлері болып табылады). Дегенмен, өлшенген лептон массаларының эксперименталдық қателіктері шегінде Койде формуласының мәні 2/3-ке тең болуы, лептон массаларын болжауға қабілетті теорияның бар екенін көрсетеді. CKM матрицасы, егер оны 3 өлшемді векторлық кеңістікте айналу матрицасы ретінде қарастырса, төменгі типтегі кварк массаларының түбірлерінен тұратын векторды жоғары типтегі кварк массаларының түбірлерінен тұратын векторға "айналдырады", вектор ұзындығына дейін – бұл Кодзо Нишиданың нәтижесі. Стандартты модельдегі барлық фермиондардың Юкава байланыстарының квадраттарының қосындысы шамамен 0,984-ке тең, бұл 1-ге өте жақын. Басқаша айтқанда, фермион массаларының квадраттарының қосындысы Хиггс вакуумдық күту мәнінің квадратының жартысына өте жақын. Бозон массаларының квадраттарының қосындысы (яғни W, Z және Хиггс бозондары) да Хиггс вакуумдық күту мәнінің жартысына өте жақын, қатынасы шамамен 1,004-ке тең. Осының салдарынан, Стандартты модельдегі барлық бөлшектердің квадраттық массаларының қосындысы Хиггс вакуумдық күту мәнінің квадратына өте жақын, қатынасы шамамен 0,994-ке тең. Бұл эмпирикалық байланыстар қандай да бір жатқызылған физиканы көрсететіні әлі белгісіз; Койде айтуынша, ол ашқан заң "кездейсоқтық болуы мүмкін".
Теориялық мәселелер
Стандартты модельдің кейбір ерекшеліктері арнайы тәсілмен қосылады. Бұл проблемалар емес (яғни теория арнайы енгізілгендермен жақсы жұмыс істейді), бірақ олар түсініктің жетіспеушілігін көрсетеді. Осы жасалма ерекшеліктер теоретиктерді аз параметрлі, негізгі теорияларды іздеуге ынталандырды. Кейбір ойластырылған тәсілдер: Иерархия мәселесі – стандартты модель Higgs өрісінің әсерінен туындаған спонтандық симметрия бұзу процесі арқылы бөлшектердің массасын енгізеді. Стандартты модельде Higgs бөлшегінің массасы виртуалды бөлшектердің (көбінесе виртуалды топ кварктардың) болуына байланысты өте үлкен кванттық түзетулер алады. Бұл түзетулер Higgs бөлшегінің нақты массасынан әлдеқайда үлкен. Бұл стандартты модельдегі Higgs-тің бастапқы масса параметрін кванттық түзетулерді толығымен жоятын етіп, дәл реттеуді қажет етеді. Көптеген теоретиктер мұндай дәл реттеуді табиғи емес деп санайды. Параметрлер саны – стандартты модель 19 параметрге тәуелді. Олардың мәндері тәжірибеден белгілі, бірақ осы мәндердің шығу тегі белгісіз. Кейбір теоретиктер әртүрлі параметрлер арасындағы байланыстарды табуға тырысты, мысалы, әртүрлі буындағы бөлшектердің массалары арасындағы байланыс немесе асимптотикалық қауіпсіздік сценарийлеріндегідей бөлшектердің массасын есептеу. Кванттық тривиалдық – элементарлық скалярлық Higgs бөлшектерін қамтитын тұрақты кванттық өріс теориясын құру мүмкін емес екенін көрсетеді. Бұл кейде Ландау полюсі мәселесі деп аталады. Күшті CP мәселесі – теориялық тұрғыдан стандартты модельде CP симметриясын бұзатын күшті өзара әрекеттесуде термин болуы керек, бұл материя мен антиматерияның өзара әрекеттесу жылдамдықтарының сәл айырмашылығына әкеледі. Бірақ эксперименттік тұрғыдан мұндай бұзушылық табылған жоқ, яғни егер мұндай термин болса, оның коэффициенті нөлге өте жақын болуы керек.
Hierarchy problem – the standard model introduces particle masses through a process known as spontaneous symmetry breaking caused by the Higgs field. Within the standard model, the mass of the Higgs particle gets some very large quantum corrections due to the presence of virtual particles (mostly virtual top quarks). These corrections are much larger than the actual mass of the Higgs. This means that the bare mass parameter of the Higgs in the standard model must be fine tuned in such a way that almost completely cancels the quantum corrections. This level of fine tuning is deemed unnatural by many theorists. Number of parameters – the standard model depends on 19 parameter numbers. Their values are known from experiment, but the origin of the values is unknown. Some theorists have tried to find relations between different parameters, for example, between the masses of particles in different generations or calculating particle masses, such as in asymptotic safety scenarios. Quantum triviality – suggests that it may not be possible to create a consistent quantum field theory involving elementary scalar Higgs particles. This is sometimes called the Landau pole problem. Strong CP problem – it can be argued theoretically that the standard model should contain a term in the strong interaction that breaks CP symmetry, causing slightly different interaction rates for matter vs. antimatter. Experimentally, however, no such violation has been found, implying that the coefficient of this term – if any – would be suspiciously close to zero.
Қосымша тәжірибелік нәтижелер
Эксперименттік деректер бойынша зерттеулер космологиялық тұрақты, LIGO шуы және пульсарлық уақыт бойынша мәліметтер стандартты модельде немесе Үлкен адрондық коллайдерде табылғандардан әлдеқайда үлкен массалары бар жаңа бөлшектердің болу мүмкіндігі өте төмен екенін көрсетеді. Дегенмен, бұл зерттеулер кванттық гравитацияның немесе бұзылғыш кванттық өріс теориясының 1 PeV-ден бұрын күшті байланысқа түсуі мүмкін екенін де көрсетіп отыр, бұл TeV диапазонында басқа жаңа физикаға алып келеді. Біртұтас топтар үшін ең көп таңдау бес өлшемді арнайы унитарлық топ SU(5) және он өлшемді арнайы ортогональды топ SO(10) болып табылады. Стандартты модель симметрияларын осылай біріктіретін теориялар Ұлы Біріктірілген Теориялар (немесе GUT) деп аталады, ал біріктірілген симметрияның бұзылу энергиясы GUT шкаласы деп аталады. Әдетте, Ұлы Біріктірілген Теориялар ерте ғаламда магниттік монопольдердің пайда болуын және протоның тұрақсыздығын болжайды. Ешқайсысы байқалған жоқ, және осы байқаудың болмауы мүмкін GUT-тардың шектеулерін қояды.
Суперсимметрия
Суперсимметрия стандартты модельді Лагранждыққа симметрияның тағы бір класын қосу арқылы кеңейтеді. Бұл симметриялар фермиондық бөлшектерді бозондық бөлшектермен алмастырады. Мұндай симметрия суперсимметриялық бөлшектердің, қысқартылып спартикльдер деп аталатындардың болуын болжайды, оларға слептондар, скварктар, нейтралинолар және чаргинолар кіреді. Стандартты модельдегі әр бөлшектің спині 1/2-ге өзгеше болатын суперсерігі болады. Суперсимметрияның бұзылуына байланысты спартикльдер олардың әдеттегі серіктестерінен әлдеқайда ауыр; олар соншалықты ауыр, қазіргі кездегі бөлшектерді шағылыстыратын құрылымдар оларды жасауға жеткілікті қуатты болмауы мүмкін.
Преон үлгілері
Кварктер мен лептондардың үш буыны бар екендігіне қатысты шешілмеген мәселенің шешімі ретінде бірнеше преондық модельдер ұсынылды. Преондық модельдер, әдетте, стандартты модельдің кварктары мен лептондарын құруға қабілетті қосымша жаңа бөлшектердің бар екенін постулаттайды. Ең алғашқы преондық модельдердің бірі – Ришон моделі. Қазіргі күнге дейін ешбір преондық модель кеңінен қабылданған жоқ немесе толыққанды расталмаған.
Барлық теориялар
Теориялық физика барлық нәрсенің теориясына ұмтылуда, ол барлық белгілі физикалық құбылыстарды толық түсіндіріп, біріктіреді және принцип бойынша жүргізілуі мүмкін кез келген эксперименттің нәтижесін болжай алады. Іс жүзінде, осы бағыттағы тікелей мақсат – Стандартты модельді Жалпы салыстырмалылық теориясымен кванттық гравитация теориясына біріктіретін теорияны жасау. Бұдан өзге, теориядағы түсініксіз кемшіліктерді жою сияқты қосымша мүмкіндіктер немесе бөлшектердің массаларын дәл болжау да қажет. Мұндай теорияны құрудағы қиындықтар тек қана түсініксіз емес, сонымен қатар экзотикалық құбылыстарды зерттеу үшін қажетті өте жоғары энергия деңгейін қамтамасыз етудің тәжірибелік аспектілерін де қамтиды. Бұл бағыттағы ең танымал әрекеттер – суперсимметрия, циклдық кванттық гравитация және Струналар теориясы.
Күлгілік кванттық гравитация
Кванттық гравитация теориялары, мысалы, циклдік кванттық гравитация және тағы да басқалары, кейбір ғалымдардың пікірінше, кванттық өріс теориясы мен жалпы салыстырмалылық теориясын математикалық тұрғыдан біріктіруге үміт беретін мүмкіндіктер саналады, бұл үшін қолданыстағы теорияларға онша үлкен өзгерістер енгізудің қажеті жоқ.
Сызық теориясы
Стандартты модельдің кеңейтулері, түзетулері, алмастырулары және қайта ұйымдастырулары осы және басқа да мәселелерді түзету үшін жасалған. Сызықтық теория – осындай жаңарулардың бірі, және көптеген теориялық физиктер мұндай теориялардың бәрін қамтитын теорияға қарайғы келесі теориялық қадам екенін ойлайды. Сызықтар теориясының көптеген түрлерінің ішінде, 1995 жылы Эдвард Виттеннің Сызықтар конференциясында алғаш ұсынған М теориясы, әсіресе физиктер Брайан Грин мен Стивен Хокингтің пікірінше, нағыз "Бәрін түсіндіретін теория" (ToE) деп саналады. Толық математикалық сипаттамасы әлі белгілі болмаса да, теорияның нақты жағдайлар үшін шешімдері бар. Жақындағы зерттеулер М теориясының тексеруге қиын жататын ерекшеліктерінен (мысалы, Калаби-Яу көптүліктерінің болуы, көптеген қосымша өлшемдер және т.б.) айырылған баламалы сызықтар модельдерін ұсынады, олардың авторы – Лиза Рэндалл сияқты танымал физиктер.