Введение

Теории, стремящиеся расширить известные границы физики

Физика за пределами Стандартной модели (ФЗСМ) относится к теоретическим разработкам, необходимым для объяснения недостатков Стандартной модели, таких как невозможность объяснить фундаментальные параметры стандартной модели, сильную CP-проблему, нейтринные осцилляции, асимметрию между материей и антиматерией, а также природу тёмной материи и тёмной энергии. Другая проблема заключается в математической структуре самой Стандартной модели: она несовместима с общей теорией относительности, и одна или обе теории перестают работать в определенных условиях, например, при пространственно-временных сингулярностях, таких как Большой взрыв и горизонты событий чёрных дыр. Теории, выходящие за рамки Стандартной модели, включают различные расширения стандартной модели посредством суперсимметрии, такие как Минимальная суперсимметричная стандартная модель (MSSM) и Следующая за минимальной суперсимметричная стандартная модель (NMSSM), а также совершенно новые объяснения, такие как теория струн, M-теория и дополнительные измерения. Поскольку эти теории, как правило, воспроизводят все известные явления, вопрос о том, какая из них верна или, по крайней мере, является "лучшим шагом" к теории всего, может быть решён только экспериментально и является одной из наиболее активных областей исследований как в теоретической, так и в экспериментальной физике.

Проблемы со стандартной моделью

Несмотря на то, что это на сегодняшний день самая успешная теория физики частиц, Стандартная модель несовершенна. Значительная часть публикаций теоретических физиков состоит из предложений о различных формах "новой физики за пределами Стандартной модели", которые вносят в Стандартную модель изменения, достаточно тонкие, чтобы соответствовать имеющимся данным, но при этом достаточно существенные, чтобы предсказывать результаты новых экспериментов, выходящие за рамки Стандартной модели.

Необъяснимые явления

Стандартная модель по своей сути является неполной теорией. В природе существуют фундаментальные физические явления, которые Стандартная модель не объясняет адекватно: гравитация. Стандартная модель не объясняет гравитацию. Подход простого добавления гравитона в Стандартную модель не воссоздает то, что наблюдается экспериментально, без других модификаций, еще не обнаруженных в Стандартной модели. Более того, Стандартная модель считается несовместимой с самой успешной теорией гравитации на сегодняшний день, общей теорией относительности. "Примечательно, что два величайших успеха физики 20-го века, общая теория относительности и стандартная модель, по-видимому, принципиально несовместимы". — Сушков, Ким и др. (2011) "Можно найти тысячи утверждений в литературе о том, что общая теория относительности и квантовая механика несовместимы. Они совершенно устарели и больше не актуальны. Эффективная теория поля показывает, что общая теория относительности и квантовая механика работают вместе совершенно нормально в диапазоне масштабов и кривизны, включая те, которые имеют отношение к миру, который мы видим вокруг нас. Однако эффективные теории поля действительны только в некотором диапазоне масштабов. У общей теории относительности, безусловно, есть проблемные вопросы в экстремальных масштабах. Существуют важные проблемы, которые эффективная теория поля не решает, потому что они выходят за пределы ее области применимости. Однако это означает, что вопрос квантовой гравитации не такой, каким мы его считали: вместо фундаментальной несовместимости квантовой механики и гравитации мы находимся в более знакомой ситуации, когда нам нужна более полная теория, выходящая за рамки их совместной применимости. Обычное сочетание общей теории относительности и квантовой механики хорошо работает при обычных энергиях, но теперь мы стремимся раскрыть модификации, которые должны присутствовать в более экстремальных условиях. Это современный взгляд на проблему квантовой гравитации, и это представляет собой прогресс по сравнению с устаревшим взглядом прошлого". — Донохью (2012) Нейтринные осцилляции. Согласно Стандартной модели, нейтрино не осциллируют. Однако эксперименты и астрономические наблюдения показали, что нейтринные осцилляции действительно происходят. Обычно это объясняется постулированием, что нейтрино обладают массой. В Стандартной модели нейтрино не имеют массы, и массовые члены для нейтрино могут быть добавлены в Стандартную модель искусственно, но это приводит к новым теоретическим проблемам. Например, массовые члены должны быть чрезвычайно малыми, и неясно, возникнут ли массы нейтрино таким же образом, как массы других фундаментальных частиц в Стандартной модели. Существуют также другие расширения Стандартной модели для нейтринных осцилляций, которые не предполагают массивных нейтрино, такие как осцилляции нейтрино с нарушением лоренц-инвариантности. Асимметрия материи и антиматерии. Вселенная состоит в основном из материи. Однако стандартная модель предсказывает, что материя и антиматерия должны были быть созданы в (почти) равных количествах, если начальные условия Вселенной не включали непропорционально большое количество материи по отношению к антиматерии. Тем не менее, в Стандартной модели нет механизма, который бы достаточно объяснил эту асимметрию.

Теоретические прогнозы не соблюдены

Наблюдения на коллайдерах частиц всех фундаментальных частиц, предсказанных Стандартной моделью, были подтверждены. Бозон Хиггса предсказан объяснением механизма Хиггса в рамках Стандартной модели, которое описывает, как нарушается слабая SU(2) калибровочная симметрия и как фундаментальные частицы приобретают массу; он был последней частицей, предсказанной Стандартной моделью, которую удалось наблюдать. 4 июля 2012 года ученые ЦЕРН, использующие Большой адронный коллайдер, объявили об обнаружении частицы, согласующейся с бозоном Хиггса, с массой около 126. Существование бозона Хиггса было подтверждено 14 марта 2013 года, хотя работы по подтверждению того, что он обладает всеми свойствами, предсказанными Стандартной моделью, продолжаются. Некоторые адроны (то есть составные частицы из кварков), существование которых предсказано Стандартной моделью и которые могут быть получены только при очень высоких энергиях с очень низкой частотой, до сих пор не были окончательно обнаружены, а также не были окончательно обнаружены "клеевые шарики" (то есть составные частицы из глюонов). Некоторые процессы распада частиц, предсказанные Стандартной моделью и происходящие с очень низкой частотой, также до сих пор не были окончательно наблюдаемы из-за недостатка данных для статистически значимого наблюдения.

Необъяснимые связи

Формула Койде – необъяснимое эмпирическое уравнение, отмеченное Йосио Койде в 1981 году, а позже и другими исследователями. Она связывает массы трех заряженных лептонов. Стандартная модель не предсказывает массы лептонов (они являются свободными параметрами теории). Однако, значение формулы Койде, равное 2/3 в пределах экспериментальных погрешностей измеренных масс лептонов, указывает на возможность существования теории, способной предсказывать эти массы. Матрица CKM, если рассматривать её как матрицу вращения в трехмерном векторном пространстве, "вращает" вектор, составленный из квадратных корней масс d-кварков, в вектор из квадратных корней масс u-кварков, с точностью до длины векторов – результат, полученный Кодзо Нишидой. Сумма квадратов констант связи Юкавы всех фермионов Стандартной модели приблизительно равна 0,984, что очень близко к 1. Иными словами, сумма квадратов масс фермионов очень близка к половине квадрата вакуумного среднего значения поля Хиггса. Сумма квадратов масс бозонов (то есть W, Z и бозона Хиггса) также очень близка к половине квадрата вакуумного среднего значения поля Хиггса, при этом отношение составляет примерно 1,004. Следовательно, сумма квадратов масс всех частиц Стандартной модели очень близка к квадрату вакуумного среднего значения поля Хиггса, и это отношение приблизительно равно 0,994. Неясно, отражают ли эти эмпирические соотношения какую-либо фундаментальную физику; по мнению Койде, обнаруженное им правило "может быть случайным совпадением".

Теоретические проблемы

Некоторые особенности Стандартной модели добавляются искусственным образом. Это не проблемы как таковые (то есть теория хорошо работает с такими добавлениями), но они указывают на недостаток понимания. Эти искусственные черты побудили теоретиков искать более фундаментальные теории с меньшим числом параметров. Некоторые из этих особенностей:

Проблема иерархии – Стандартная модель вводит массы частиц посредством процесса, известного как спонтанное нарушение симметрии, вызванного полем Хиггса. В рамках Стандартной модели масса частицы Хиггса подвержена очень большим квантовым поправкам из-за присутствия виртуальных частиц (в основном виртуальных топ-кварков). Эти поправки значительно превышают фактическую массу Хиггса. Это означает, что параметр массы Хиггса в Стандартной модели должен быть чрезвычайно точно настроен таким образом, чтобы почти полностью компенсировать квантовые поправки. Такой уровень тонкой настройки многими теоретиками считается неестественным.

Число параметров – Стандартная модель зависит от 19 параметров. Их значения известны из экспериментов, но происхождение этих значений неизвестно. Некоторые теоретики пытались найти связи между различными параметрами, например, между массами частиц в разных поколениях или вычислять массы частиц, как в сценариях асимптотической безопасности.

Квантовая тривиальность – предполагает, что может быть невозможно создать непротиворечивую квантовую теорию поля, включающую элементарные скалярные частицы Хиггса. Это иногда называют проблемой полюса Ландау.

Проблема сильного CP – теоретически можно утверждать, что Стандартная модель должна содержать член в сильном взаимодействии, нарушающий CP-симметрию, что приводит к незначительно отличающимся скоростям взаимодействия материи и антиматерии. Однако экспериментально такого нарушения не обнаружено, что подразумевает, что коэффициент этого члена – если он существует – будет подозрительно близок к нулю.

Дополнительные результаты экспериментов

Исследования экспериментальных данных о космологической константе, шуме LIGO и синхронизации пульсаров указывают на то, что крайне маловероятно существование новых частиц с массами, значительно превышающими те, которые можно обнаружить в Стандартной модели или на Большом адронном коллайдере. Однако эти исследования также показали, что квантовая гравитация или возмутительная квантовая теория поля станут сильно взаимодействующими до 1 ПеВ, что приведет к появлению новой физики в диапазоне ТэВ. Популярными кандидатами на объединяющую группу являются специальная унитарная группа в пяти измерениях SU(5) и специальная ортогональная группа в десяти измерениях SO(10). Теории, объединяющие симметрии Стандартной модели подобным образом, называются Великими объединительными теориями (или GUT), а энергетический масштаб, на котором нарушается объединенная симметрия, называется GUT-масштабом. Как правило, великие объединительные теории предсказывают образование магнитных монополей в ранней Вселенной и нестабильность протона. Ни то, ни другое не было обнаружено, и отсутствие этих наблюдений накладывает ограничения на возможные GUT.

Суперсимметрия

Суперсимметрия расширяет Стандартную модель, добавляя к лагранжиану новый класс симметрий. Эти симметрии устанавливают соответствие между фермионными и бозонными частицами. Такая симметрия предсказывает существование суперсимметричных частиц, обозначаемых как спартикулы, включающие в себя слептоны, скварки, нейтралино и чаргино. Для каждой частицы в Стандартной модели существует суперпартнер, спин которого отличается от спина обычной частицы на 1/2. Вследствие нарушения суперсимметрии, спартикулы значительно массивнее своих обычных аналогов; они настолько тяжелы, что существующим коллайдерам частиц может не хватить мощности для их создания.

Модели преона

Для решения нерешенной проблемы, связанной с тем, что существует три поколения кварков и лептонов, было предложено несколько моделей преонов. Модели преонов обычно постулируют существование дополнительных элементарных частиц, которые, как предполагается, могут комбинироваться, образуя кварки и лептоны стандартной модели. Одной из самых ранних моделей преонов была модель Ришона. На сегодняшний день ни одна модель преонов не получила широкого признания или полного подтверждения.

Теории всего

Теоретическая физика продолжает стремиться к теории всего — теории, которая полностью объясняет и связывает все известные физические явления и предсказывает исход любого эксперимента, который в принципе можно провести. В практическом плане непосредственной целью в этой области является разработка теории, объединяющей Стандартную модель с общей теорией относительности в теорию квантовой гравитации. Были бы желательны и дополнительные возможности, такие как устранение концептуальных недостатков в обеих теориях или точное предсказание масс частиц. Сложности в создании такой теории заключаются не только в концептуальных проблемах, но и в экспериментальных аспектах, связанных с необходимостью достижения очень высоких энергий для исследования экзотических областей. К числу заметных попыток в этом направлении относятся суперсимметрия, петлевая квантовая гравитация и теория струн.

Квантовая гравитация с петлей

Теории квантовой гравитации, такие как петлевая квантовая гравитация и другие, рассматриваются некоторыми как многообещающие кандидаты на математическое объединение квантовой теории поля и общей теории относительности, требующие менее существенных изменений в существующих теориях.

Теория струн

Расширения, пересмотры, замены и реорганизации Стандартной модели существуют в попытке исправить эти и другие проблемы. Теория струн – одна из таких переработок, и многие теоретические физики считают, что подобные теории – следующий теоретический шаг к истинной Теории Всего. Среди многочисленных вариантов теории струн, теория М, математическое существование которой было впервые предложено Эдвардом Виттеном на конференции по теории струн в 1995 году, многими рассматривается как перспективный кандидат на роль "Теории Всего", в частности физиками Брайаном Грином и Стивеном Хокингом. Хотя полного математического описания пока не существует, решения теории известны для частных случаев. В последних работах также предлагаются альтернативные струнные модели, некоторые из которых лишены сложных для проверки особенностей теории М (например, существования многообразий Калаби-Яу, большого числа дополнительных измерений и т.п.), включая работы известных физиков, таких как Лиза Рэндалл.