Fyzika nad rámec standardního modelu

Fyzika za standardním modelem odkazuje na teoretické vývoje ve fyzice částic potřebných vysvětlit neúspěchy standardního modelu , jako je původ hmoty , problém CP porušení silné interakce , The oscilace neutrin , hmoty a antihmoty asymetrie , a povaha temné hmoty a temné energie . Další problém spočívá v matematickém rámci samotného standardního modelu: jeho neslučitelnost s obecnou relativitou , a to až do té míry, že jedna nebo druhá nebo obě teorie přestanou fungovat za určitých podmínek, například gravitačních singularit, známých z vesmíru. -time jako velký třesk nebo horizontu událostí z černých děr .

Teorie nad rámec Standardního modelu zahrnují mnoho rozšíření Standardního modelu na supersymetrii , jako je Minimální supersymetrický standardní model (zkráceně MSSM pro Minimální supersymetrický standardní model) a Kvazi-minimální supersymetrický standardní model (NMSSM pro Minimální supersymetrický standardní model), nebo zcela nové vysvětlení, jako je teorie strun , na teorii M a dalších rozměrů . Protože tyto teorie usilují o reprodukci celistvosti běžných jevů, jejichž identifikace je správná nebo alespoň představuje „nejlepší pokrok“ směrem k teorii všeho , lze vyřešit pouze experimentálně a představuje jednu z nejaktivnějších oblastí výzkum v teoretické i experimentální fyzice .

Problémy se standardním modelem

Přestože jde o dosud nejúspěšnější fyzikální teorii, standardní model není dokonalý. Velká část výsledků publikovaných teoretickými fyziky spočívá v navrhování různých forem nové fyziky „nad rámec standardního modelu“, která by upravila standardní model způsobem, který je dostatečně jemný, aby zůstal kompatibilní s existujícími daty, a zároveň provedením dostatečně podstatných korekcí k předpovědi výsledky podle „nestandardního modelu“ nových experimentů, které by byly navrženy.

Nevysvětlitelné jevy

Standardní model je ze své podstaty neúplný. V přírodě existují fyzické jevy, které nedokáže dostatečně vysvětlit.

Nevysvětlené experimentální výsledky

Ve fyzice částic je to úroveň 5 sigma (tj. 5 směrodatných odchylek ), což je úroveň široce přijímaná pro kvalifikaci prahu vědeckého objevu . Ze všech experimentálních výsledků, které jsou všeobecně přijímány jako odporující standardnímu modelu, však žádný není na této úrovni obecně přijímán jako odporující mu. Ale každý experiment obsahuje do určité míry statistické nebo systémové nejistoty . Kromě toho se teoretické předpovědi téměř nikdy nepočítají s přesností. Kromě toho podléhají nejistotám při měření základních konstant standardního modelu, některé malé, jiné podstatné. Matematicky se proto očekává, že výsledky některých ze stovek experimentů se standardním modelem z toho budou poněkud odvozeny, a to i bez objevu „nové fyziky“. V daném okamžiku existuje mnoho experimentálních výsledků významně odlišných od očekávání standardního modelu, ačkoli po sběru dalších údajů bylo zjištěno, že mnoho z nich bylo mimořádnou statistickou náhodou nebo experimentální chybou. Na druhou stranu by se jakákoli fyzika „nad rámec standardního modelu“ měla nutně nejprve experimentálně projevit statisticky významným rozdílem mezi výsledky experimentu a těmi, které teoreticky předpovídá standardní model.

V každém případě se fyzici snaží zjistit, zda je výsledek na jedné straně pouhá náhoda nebo chyba, nebo na druhé straně známka nové fyziky. Další shodné statistické výsledky již nemusí být věcí náhody, ale mohou být stále výsledkem experimentálních chyb nebo nepřesného odhadu experimentální přesnosti. Experimenty jsou často vyvíjeny s ohledem na lepší citlivost na experimentální výsledky umožňující odlišit standardní model od teoretické alternativy.

Mezi nejznámější příklady patří následující:

Nepozorované teoretické předpovědi

Všechny základní částice předpovídané standardním modelem byly pozorovány v urychlovačích částic . Tyto Higgs Boson Výsledky z Higgs mechanismus , jak je vysvětleno ve standardním modelu, který popisuje, jak SU (2) symetrie měřidlo je rozdělena a jak základní získávají částice hmoty. Zůstává (od roku 2014) poslední částice předpovězenou standardním modelem, která byla pozorována. The4. července 2012, Vědci CERN je velký hadronový urychlovač ( Large Hadron Collider , LHC) oznámil objev částice v souladu s Higgs boson, přibližná hmotnost 126  GeV / c2 . Existence Higgsova bosonu byla potvrzena dne14. března 2013, přestože stále hledáme potvrzení, že má všechny vlastnosti poskytované standardním modelem.

Určité hadrony , částice složené z kvarků , jejichž existenci předpovídá standardní model, který lze vyrobit pouze při velmi vysokých energiích, při velmi nízkých frekvencích, ještě nebyly definitivně pozorovány, a „ koule gluons  “, částice složené z gluonů , dosud také nebyly definitivně dodrženy. Některé nízkofrekvenční rozpady částic předpovídané standardním modelem ještě nebyly s konečnou platností pozorovány, protože údaje umožňující statisticky významné pozorování nejsou k dispozici.

Teoretické problémy

Některé funkce standardního modelu jsou přidávány ad hoc . Nejsou problémem samy o sobě, to znamená, že teorie funguje dobře s těmito ad hoc charakteristikami, ale naznačují nedostatek porozumění. Tyto charakteristiky ad hoc vedly teoretiky k prozkoumání nových cest k zásadnějším teoriím založeným na menším počtu parametrů. Mezi funkce ad hoc patří:

Teorie velkého sjednocení

Standardní model má tři měřidla symetrie  : barevná symetrie SU (3) , slabá isospin SU (2) a hyperplán U (1) , odpovídající třem základním silám. V důsledku renormalizace se vazebné konstanty každé z těchto symetrií mění s energií, při které jsou měřeny. Při přibližně 16  GeV se tato spojení přibližně vyrovnají. Což vedlo ke spekulacím, že nad těmito energiemi jsou tři měřidla symetrie standardního modelu sjednocena do jediného měřidla symetrie s jednou měřicí skupinou a jedinou vazebnou konstantou. Pod těmito energiemi je symetrie ve srovnání se standardním modelem spontánně přerušena . Pro výběr těchto sjednocujících skupin je nejoblíbenější pětidimenzionální skupina speciálních jednotek SU (5) a desetrozměrná ortogonální speciální skupina SO (10) .

Teorie, které tímto způsobem sjednocují symetrie standardního modelu, se nazývají Teorie velkého sjednocení (nebo GUT pro Grand Unified Theories) a energetické měřítko, ve kterém je jednotná symetrie narušena, se nazývá měřítko GUT. Teorie Velkého sjednocení obecně předpovídají vznik magnetických monopolů během raného vesmíru a nestabilitu protonu . Dosud nebyla pozorována ani jedna, a tato absence zavádí omezení možných GUT.

Supersymetrie

Supersymmetry rozšiřuje standardní model přidáním dalších tříd symetrie v lagrangiánu . Tyto symetrie si vyměňují fermionické a bosonické částice . Tento druh symetrie předpovídá existenci supersymetrických částic, spartikul , včetně spánků , kvarků , neutralinos a charginos . Předpokládá se, že každá částice standardního modelu má superpartnera, jehož rotace se liší o 1/2 od rotace běžné částice. Kvůli rozbití supersymetrie jsou spartikuly mnohem těžší než jejich běžné protějšky. Jsou tak těžké, že stávající urychlovače částic nemají dostatek energie na jejich výrobu.

Neutrina

Ve standardním modelu mají neutrina přesně nulovou hmotnost. To vyplývá ze standardního modelu obsahujícího pouze neutrina levé helicity . Bez vhodného partnera se správnou helicitou je nemožné přidat do standardního modelu renormalizovatelný hromadný výraz. Měření však naznačovala změny v chuti neutrin, z čehož vyplývá, že mají hmotnost. Tato měření poskytují pouze relativní množství různých příchutí. Nejlepší omezení absolutní hmotnosti neutrin pochází z přesných měření rozpadu tritia , které stanoví horní hranici 2  eV nebo alespoň o pět řádů lehčí než jiné částice standardního modelu. To vyžaduje rozšíření standardního modelu, který trpí nejen nedostatečným vysvětlením toho, jak neutrina získávají hmotnost, ale také proč je hmotnost tak nízká.

Jedním ze způsobů, jak přidat hmotu k neutrinům, která se nazývá mechanismus houpačky, je přidat pravotočivá neutrina a spojit je s levotočivými neutriny pomocí Diracova hromadného výrazu . Pravotočivá neutrina musí být sterilní , což znamená, že se neúčastní žádných interakcí standardního modelu. Bez poplatku mohou pravotočivá neutrina tvořit své vlastní anti-částice a mít masový termín Majorana . Stejně jako u ostatních Diracových hmot ve standardním modelu se očekává, že Diracova hmotnost neutrina bude generována pomocí Higgsova mechanismu, a proto ji nelze předvídat. Hmoty fermionů standardního modelu se liší o několik řádů; Diracova hmotnost neutrina má přinejmenším stejnou nejistotu. Hmota Majorany pro pravotočivá neutrina se má vyskytovat pomocí standardního Higgsova modelu, a proto se očekává, že bude souviset s nějakou novou fyzikální energetickou stupnicí za standardní model . Proto bude jakýkoli proces zahrnující pravotočivá neutrina potlačen při nízkých energiích. Korekce způsobená těmito potlačenými procesy účinně dává levotočivým neutrinům hmotu nepřímo úměrnou hmotnosti pravotočivé Majorany, což je mechanismus známý jako houpačka (kyvadlo). Přítomnost těžkých pravotočivých neutrin tedy vysvětluje jak nízkou hmotnost levotočivých neutrin, tak jejich vlastní nepřítomnost v pozorováních. Kvůli nejistotě mas Diracova neutrina však mohou být masy pravoúhlého neutrina kdekoli. Například mohou být lehké jako několik keV a představují temnou hmotu , mohou mít hmotu kompatibilní s energetickou doménou LHC a vést k pozorovatelnému porušování leptonických čísel , nebo mohou být v blízkosti stupnice teorie velkého sjednocení, a tak spojovat pravoruké neutrino s možností takové teorie.

Termíny hromadné směsi různých generací neutrin podle parametrizace maticí PMNS , která je analogem neutrina matice CKM míchání kvarků. Na rozdíl od téměř minimálního míchání kvarků se míchání neutrin zdá téměř maximální. To vede k mnoha spekulacím o symetriích mezi různými generacemi, což by vysvětlovalo způsob míchání. Směšovací matice může také obsahovat několik složitých fází, které narušují invariantnost CP, ačkoli o tom neexistují žádné experimentální důkazy. Tyto fáze mohly v časném vesmíru potenciálně vytvořit přebytek leptonů nad antileptony , což je proces známý jako leptogeneze . Tato asymetrie se mohla následně převést na přebytek baryonů nad anti-baryony a vysvětlit asymetrii hmoty a antihmoty pozorovanou ve vesmíru.

Světelná neutrina nemohou vysvětlit temnou hmotu kvůli nedostatku dostatečné hmotnosti. Kromě toho simulace vzniku struktur ukazují, že jsou příliš horké, to znamená, že jejich kinetická energie je velká ve srovnání s jejich hmotou, zatímco tvorba struktur podobných galaxiím v našem vesmíru vyžaduje studenou temnou hmotu . Simulace ukazují, že neutrina mohou nejlépe vysvětlit malé procento temné hmoty. Sterilní pravotočivá neutrina jsou však možnými kandidáty na WIMP temné hmoty.

Preon modely

Bylo navrženo několik preonových modelů k vyřešení přetrvávajícího problému tří generací kvarků a leptonů. Preonovy modely obecně postulují nové částice, které jsou poté prezentovány jako schopné kombinovat za vzniku standardních modelových kvarků a leptonů. Jedním z prvních modelů preonů byl model Rishon.

K dnešnímu dni nebyl ověřen žádný preon model, a proto je široce přijímán.

Teorie vůbec

Teorie všeho

Teoretická fyzika pokračuje ve svém úsilí o teorii všeho , která by plně vysvětlila a spojila všechny známé fyzikální jevy a předpověděla výsledky jakéhokoli experimentu prováděného podle jeho principů. V praxi je okamžitým cílem v této perspektivě vývoj teorie spojující standardní model a obecnou relativitu do teorie kvantové gravitace . Očekávají se další vylepšení, jako je řešení koncepčních nedostatků v jedné nebo druhé z těchto již existujících teorií nebo přesná předpověď hmotnosti částic. Výzvy při budování takové teorie nejsou jen koncepční, zahrnují také experimentální aspekty s velmi vysokou energií nezbytné k prozkoumání těchto exotických polí. Supersymmetry se teorie strun a smyčka kvantová gravitace jsou mezi mnoho významných pokusů v tomto směru.

Teorie strun

Existují rozšíření, revize, nahrazení a reorganizace standardního modelu, například pokusy o opravu těchto a dalších problémů. Teorie strun je jeden takový přerod, a mnozí teoretici věří, tyto teorie fyziky jako další krok směrem k teorii všeho . Teorie kvantové gravitace, jako je smyčková kvantová gravitace nebo jiné, jsou některými považovány za slibné kandidáty pro matematickou teorii sjednocení kvantových polí a obecnou relativitu, vyžadující méně drastické změny stávajících teorií. Nedávná práce však stanoví přesvědčivé limity pro domnělé účinky kvantové gravitace na rychlost světla a podkopává některé modely kvantové gravitace.

Mezi mnoha variantami teorie strun je teorie M , jejíž matematická existence byla poprvé navržena na konferenci String v roce 1995, považována za vhodného kandidáta na teorii celku, zejména vědci - fyzici Brian Greene a Stephen Hawking . Přestože dosud neexistuje úplný matematický popis, existují řešení této teorie pro některé konkrétní případy. Nedávná práce také navrhla alternativní modely strun, z nichž některé nevykazují mnoho obtížně experimentovatelných rysů M teorie (např. Existenci potrubí Calabi-Yau , mnoho dalších dimenzí atd.), Mimo jiné od práce fyziků po populární publikace, jako je Lisa Randall .

Poznámky a odkazy

(fr) Tento článek je částečně nebo zcela převzat z článku Wikipedie v angličtině s názvem „  Nová fyzika  “ ( viz seznam autorů ) .
  1. Viz článek v: Strong_CP_problem v anglické verzi Wikipedie.
  2. Viz článek v: Minimální supersymetrický standardní model v anglické verzi Wikipedie.
  3. Viz článek v: Minimální supersymetrický standardní model v anglické verzi Wikipedie.
  4. JD Lykken , CERN Yellow Report , CERN , 2010, 101–109  s. ( arXiv  1005.1676 ) , „Beyond the Standard Model“.
  5. jehož vlastnosti, pokud existují, mají mezi fyziky značnou shodu.
  6. AO Sushkov , WJ Kim , DAR Dalvit a SK Lamoreaux , „  New Experimental Limits on Non-Newtonian Forces in the Micrometer Range  “, Physical Review Letters , sv.  107, n o  17,2011, str.  171101 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.107.171101 , Bibcode  2011PhRvL.107q1101S , arXiv  1108.2547 ) :

    „Je pozoruhodné, že dvě z nejjasnějších fyzické úspěchu XX th  století, obecné relativity a standardního modelu, jeví jako zásadně neslučitelné“

    ale viz také John F. Donoghue , „  Efektivní léčba teorie pole kvantovou gravitací  “, Sborník konferencí AIP. , sv.  1473,2012, str.  73 ( DOI  10.1063 / 1.4756964 , arXiv  1209.3511 ) :

    "V literatuře existují stovky tvrzení, že 'obecná relativita a kvantová mechanika jsou nekompatibilní' '. Jsou úplně zastaralé a už se sotva přizpůsobují. Současná teorie pole ukazuje, že obecná relativita a kvantová mechanika fungují dokonale normálně v širokém rozsahu měřítek a zakřivení, včetně těch, které se týkají světa, který vidíme kolem sebe. Platné teorie polí jsou však platné pouze pro určité domény měřítka. Obecná relativita jistě představuje problémy v extrémních měřítcích. Existují důležité problémy, které současná teorie pole neřeší, protože leží nad její doménou platnosti. To však znamená, že problém s kvantovou gravitací není tím, co jsme předpokládali. Spíše než zásadní nekompatibilita mezi kvantovou mechanikou a gravitací jsme ve známější situaci, kdy potřebujeme úplnější teorii mimo oblast jejich kombinované nekompatibility. Obvyklé manželství obecné relativity a kvantové mechaniky funguje dobře na běžné energie, ale nyní se snažíme zjistit, jaké změny musí existovat za extrémnějších podmínek. To představuje moderní pohled na problém kvantové gravitace a představuje pokrok v zastaralém pohledu na minulost. ““
  7. J. Womersley , „  Beyond the Standard Model ,  “ v časopise Symmetry Magazine , Únor 2005(zpřístupněno 23. listopadu 2010 ) .
  8. Krauss, L. (2009). = 7ImvlS8PLIo Vesmír z ničeho . Konference AAI.
  9. Randolf Pohl, Ronald Gilman, Gerald A. Miller, Krzysztof Pachucki, „Muonický vodík a poloměr protonového poloměru“ (30. května 2013) https://arxiv.org/abs/1301.0905 v tisku Annu. Rev. Nucl. Jít. Sci. Vol 63 (2013) 10.1146 / annurev-nucl-102212-170627 („Nedávné určení poloměru protonu pomocí měření Lambova posunu v muonovém vodíku způsobilo, že svět fyziky skočil. Získané hodnoty 0,84087 (39) fm se liší řádově o 4 %% nebo 7 standardních odchylek od hodnoty CODATA 0,8775 (51) fm. Ta se skládá z hodnoty atomu muonového hydrogenuhličitanu 0,8758 (77) fm a podobné hodnoty s větší nejistotou určenou rozptylem elektronu. “)
  10. JP Lees , „  Důkaz nadbytku B → D (*) τ - τ ν rozpadá  “, Physical Review Letters , sv.  109, n o  10, 1970( DOI  10.1103 / PhysRevLett.109.101802 , Bibcode  2012PhRvL.109j1802L , arXiv  1205.5442 ).
  11. C. O'Luanaigh , „  Nové výsledky naznačují, že nová částice je Higgsův boson  “ , CERN , 14. března 2013.
  12. (in) Marco Frasca , „  Co je lepicí koule?  " ,31. března 2009(zpřístupněno 26. prosince 2020 ) .
  13. ME Peskin a DV Schroeder , Úvod do teorie kvantového pole , Addison-Wesley , 1995, 786–791  s. ( ISBN  978-0-201-50397-5 ).
  14. (en) W. Buchmüller „  Neutrinos, velké sjednocení a leptogeneze  “, 2002.
  15. D. Milstead a EJ Weinberg , „  Magnetické monopoly  “ , Particle Data Group , 2009(zpřístupněno 20. prosince 2010 ) .
  16. P. Nath a PF Perez , „  Stabilita protonu ve velkých sjednocených teoriích, v řetězcích a v branách  “, Physics Reports , sv.  441, č .  5–6, 2006, str.  191–317 ( DOI  10.1016 / j.physrep.2007.02.010 , Bibcode  2007PhR ... 441..191N , arXiv  hep-ph / 0601023 ).
  17. ME Peskin a DV Schroeder , Úvod do teorie kvantového pole , Addison-Wesley , 1995, 713–715  s. ( ISBN  978-0-201-50397-5 ).
  18. Nakamura, K.; et al. ( Particle Data Group ), „  Neutrino Properties  “ , Particle Data Group , 2010(zpřístupněno 20. prosince 2010 ) .
  19. RN Mohapatra a PB Pal , Masivní neutrina ve fyzice a astrofyzice , sv.  72, World Scientific ,2007, 3 e  ed. , 451  str. ( ISBN  978-981-238-071-5 , číst online ).
  20. jinými slovy, pravá a levá chirality
  21. (in) G. Senjanovic „Zkoumání  původu hmoty neutrin: od GUT po LHC (Hledání původu hmoty neutrin: GUT LHC)  “ 2011.
  22. (in) Y. Grossman „  Čtení TASI TASI 2002 jsou neutrina Konference o Neutrinu 2002)  “ 2003.
  23. S. Dodelson a LM Widrow , „  Sterilní neutrina jako temná hmota  “, Physical Review Letters , sv.  72, 1993, str.  17 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.72.17 , Bibcode  1994PhRvL..72 ... 17D , arXiv  hep-ph / 9303287 ).
  24. P. Minkowski , „  μ → e γ rychlostí jednoho z 10 9 rozpadů muonů?  », Fyzikální písmena B , sv.  67, n O  4, 1977, str.  421 ( DOI  10.1016 / 0370-2693 (77) 90435-X , Bibcode  1977PhLB ... 67..421M ).
  25. RN Mohapatra a G. Senjanovic , „  Neutrinová hmotnost a spontánní nekonzervace parity  “, Physical Review Letters , sv.  44, n o  14, 1980, str.  912 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.44,912 , Bibcode  1980PhRvL..44..912M ).
  26. W.-Y. Keung a G. Senjanovic , „  Majorana Neutrinos and the production of the Right-Hand Charged Gauge Boson  “, Physical Review Letters , sv.  50, n o  19, 1983, str.  1427 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.50.1427 , Bibcode  1983PhRvL..50.1427K ).
  27. M. Gell-Mann , P. Ramond a R. Slansky , supergravitace , Severní Holandsko (P. van Nieuwenhuizen a D. Freedman), 1979.
  28. SL Glashow , Proceedings of the 1979 Cargèse Summer Institute on Quarks and Leptons, 1979 , M. Levy Plenum Press , 1979.
  29. (in) Altarelli „  Přednášky o modelech neutrinových hmot a směšování (konference o hromadných modelech míchání neutrin)  “ 2007.
  30. (in) H. Murayama „  Fyzika za standardním modelem a temnou hmotou (fyzika za standardním modelem a temnou hmotou)  “ 2007.
  31. (in) H. Harari , „  Schematický model kvarků a leptonů  “ , Physics Letters B , sv.  86, n o  1,1979, str.  83-86.
  32. (in) MA Shupe , „  Složený model leptonů a kvarků  “ , Physics Letters B , sv.  86, n o  1,1979, str.  87-92.
  33. (in) P. Zenczykowski , „  The Harari-Shupe PREON model and nonrelativistic quantum space stage  “ , Physics Letters B , sv.  660, n o  5,2008, str.  567-572.
  34. Lee Smolin , Tři cesty k kvantové gravitaci (tři způsoby kvantové gravitace) , Základní knihy , 2001( ISBN  0-465-07835-4 ).
  35. AA Abdo , „  Omezení změny rychlosti světla vznikající z účinků kvantové gravitace  “, Nature , sv.  462, n O  7271, 2009, str.  331 ( PMID  19865083 , DOI  10.1038 / nature08574 , Bibcode  2009Natur.462..331A , arXiv  0908.1832 , číst online ).
  36. Juan Maldacena , A. Strominger a Edward Witten , „  Entropie černé díry v M-teorii  “, Journal of High Energy Physics , sv.  1997 N O  12 1997, str.  2 ( DOI  10.1088 / 1126-6708 / 1997/12/002 , Bibcode  1997JHEP ... 12..002M , arXiv  hep-th / 9711053 ).
  37. Lisa Randall a R. Sundrum , „  Velká masová hierarchie z malé extra dimenze  “, Physical Review Letters , sv.  83, n o  17, 1999, str.  3370 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.83.3370 , Bibcode  1999PhRvL..83.3370R , arXiv  hep-ph / 9905221 ).
  38. Lisa Randall a R. Sundrum , „  Alternativa ke zhutnění  “, Physical Review Letters , sv.  83, n o  23, 1999, str.  4690 ( DOI  10.1103 / PhysRevLett.83.4690 , Bibcode  1999PhRvL..83.4690R , arXiv  hep-th / 9906064 ).

Podívejte se také

Interní odkazy

externí odkazy

Čtení