Fysiikan pidemmälle standardi malli viittaa teoreettiseen kehitykseen vuonna hiukkasfysiikan tarvitaan selittämään epäonnistumisia vakiomallin , kuten alkuperä massan , ongelma CP rikkomisesta vahva vuorovaikutus , The värähtelyt neutriinoja , asia-antimateria epäsymmetria , ja pimeän aineen ja pimeän energian luonne . Toinen ongelma on itse vakiomallin matemaattisessa kehyksessä : sen yhteensopimattomuus yleisen suhteellisuusteorian kanssa , siihen pisteeseen asti, että jompikumpi tai toinen tai molemmat teoriat ovat toimimattomia tiettyjen olosuhteiden, esimerkiksi gravitaation singulariteettien, ollessa tunnettuja avaruudesta. -Aika kuin alkuräjähdyksen tai Event horizon ja mustia aukkoja .
Vakiomallin ulkopuolella oleviin teorioihin sisältyy monia vakiomallin laajennuksia supersymmetriaan , kuten Minimaalinen supersymmetrinen standardimalli (lyhennetty MSSM merkiksi Minimaalinen supersymmetrinen vakiomalli) ja Lähes minimaalinen supersymmetrinen vakiomalli (NMSSM seuraavaksi Minimaalinen supersymmetrinen vakiomalli), tai täysin uusia selityksiä, kuten merkkijonoteoria , M-teoria ja ylimääräiset ulottuvuudet . Koska nämä teoriat pyrkivät toistamaan tavallisten ilmiöiden kokonaisuuden, joiden tunnistaminen on oikein tai ainakin joka on "paras edistysaskel" kohti kaiken teoriaa , voidaan ratkaista vain kokeellisesti ja muodostaa yksi aktiivisimmista kentistä sekä teoreettisen että kokeellisen fysiikan tutkimus .
Vaikka se on tähän mennessä menestynein fyysinen teoria, vakiomalli ei ole täydellinen. Suuri osa teoreettisten fyysikkojen julkaisemista tuloksista koostuu uuden fysiikan eri muotojen ehdottamisesta "vakiomallin ulkopuolella", mikä muuttaisi vakiomallia tavalla, joka on riittävän hienovarainen pysyäkseen yhteensopivana olemassa olevan datan kanssa tekemällä korjauksia riittävän merkittäviksi ennustamaan tulokset ehdotettujen uusien kokeiden "ei-standardimallin" mukaan.
Vakiomalli on luonnostaan epätäydellinen. Luonnossa on fyysisiä ilmiöitä, joita se ei pysty selittämään riittävästi.
Hiukkasfysiikassa 5 sigman taso (ts. 5 keskihajontaa ) on taso, joka on laajalti hyväksytty tieteellisen löydöksen kynnyksen määrittelemiseksi . Kaikista kokeellisista tuloksista, jotka on yleisesti hyväksytty ristiriitaisiksi vakiomallin kanssa, yksikään ei kuitenkaan ole yleisesti hyväksytty ristiriitaiseksi tällä tasolla. Mutta jokainen koe sisältää jossain määrin tilastollisia tai systeemisiä epävarmuustekijöitä . Lisäksi teoreettisia ennusteita tuskin koskaan lasketaan tarkasti. Lisäksi ne ovat epävarmuustekijöitä mittaus perustavanlaatuinen vakioita vakiomallin, pieniä, toiset merkittäviä. Siksi matemaattisesti odotetaan, että joidenkin satojen vakiomallikokeiden tulokset johtuvat siitä jonkin verran, jopa ilman "uuden fysiikan" löytämistä. Kulloinkin on olemassa monia kokeellisia tuloksia, jotka eroavat merkittävästi standardimallin odotuksista, vaikka lisätietojen keräämisen yhteydessä todettiin, että monet niistä olivat poikkeuksellisia tilastollisia sattumia tai kokeellisia virheitä. Toisaalta minkä tahansa "vakiomallin ulkopuolella" olevan fysiikan tulisi välttämättä ilmetä kokeellisesti ensinnäkin tilastollisesti merkitsevällä erolla kokeen tulosten ja standardimallin teoreettisesti ennustamien tulosten välillä.
Kummassakin tapauksessa fyysikot pyrkivät selvittämään, onko tulos toisaalta pelkkä sattuma vai virhe vai toisaalta uuden fysiikan merkki. Ylimääräiset tilastolliset tulokset eivät voi enää olla sattuman kysymys, mutta ne voivat silti johtua kokeellisista virheistä tai epätarkasta arvioista kokeellisesta tarkkuudesta. Usein kokeita kehitetään parantamaan herkkyyttä kokeiden tuloksille, jotta standardimalli voidaan erottaa teoreettisesta vaihtoehdosta.
Tunnetuimpia esimerkkejä ovat seuraavat:
Kaikki standardimallin ennustamat perushiukkaset havaittiin hiukkaskiihdyttimissä . Higgsin bosoni tulokset Higgs mekanismi , kuten selitetään Standard Malli, joka kuvaa, kuinka SU (2) symmetria-mittari on rikki ja miten alkeishiukkasten hankkia massa. Se on edelleen (vuodesta 2014 lähtien) viimeinen standardimallin ennustama hiukkanen. 4. heinäkuuta 2012Tutkijat CERN : n suuri hadronin törmäyslaite ( Large Hadron Collider , LHC) ilmoitti löytäneensä Higgsin bosonin kanssa sopivan hiukkasen, likimääräinen massa 126 GeV / c2 . Higgsin bosonin olemassaolo vahvistettiin14. maaliskuuta 2013, vaikka etsimme edelleen vahvistusta siitä, että sillä on kaikki vakiomallin tarjoamat ominaisuudet.
Tietyt hadronien , hiukkaset koostuvat kvarkkien , jonka olemassaolo on ennustettu Standard mallin, joka voidaan valmistaa vain hyvin korkeilla energioilla, erittäin alhaisilla taajuuksilla ei ole vielä lopullisesti havaittu, ja " pallot gluonit ”, hiukkaset koostuvat gluons , myöskään ei ole vielä lopullisesti havaittu. Joitakin standardimallin ennustamia matalataajuisia hiukkasten hajoamisia ei myöskään ole vielä lopullisesti havaittu, koska tilastollisesti merkittävän havainnon mahdollistavia tietoja ei ole saatavilla.
Jotkin vakiomallin ominaisuudet lisätään tapauskohtaisesti . Ne eivät ole sinänsä ongelma, eli että teoria toimii hyvin näiden ad hoc -ominaisuuksien kanssa, mutta ne viittaavat ymmärtämisen puutteeseen. Nämä ad hoc -ominaisuudet ovat saaneet teoreetikot tutkimaan uusia keinoja kohti perustavanlaatuisempia teorioita, jotka perustuvat pienempään määrään parametreja. Joitakin ad hoc -ominaisuuksia ovat:
Tavallinen malli on kolme mittarit symmetria : väri symmetria SU (3) , The heikko isospin SU (2) , ja hypercharge U (1) , jotka vastaavat kolmea perustavanlaatuista voimia. Koska normalisoinnin , kytkimen vakiot kunkin näiden symmetrioita vaihtelee energia, jolla ne mitataan. Noin 16 GeV : ssä nämä kytkennät tasaantuvat noin. Mikä on johtanut spekulointiin, että näiden energioiden yläpuolella standardimallin kolme symmetriamittaria on yhdistetty yhdeksi symmetrian ulottuvuudeksi yhdellä mittariryhmällä ja yhdellä kytkentävakiona. Näiden energioiden alapuolella symmetria hajoaa spontaanisti verrattuna vakiomalliin. Viisiulotteinen erikoisyksikköryhmä SU (5) ja kymmenenulotteinen ortogonaalinen erityisryhmä SO (10) ovat suosituimpia näiden yhdistymisryhmien valinnoissa.
Teorioita, jotka yhtenäistävät vakiomallin symmetriat tällä tavalla, kutsutaan Grand Unification Theoryiksi (tai GUT for Grand Unified Theories), ja energia-asteikkoa, jolla yhtenäinen symmetria rikkoutuu, kutsutaan GUT-asteikoksi. Yleensä suuren yhdistämisen teoriat ennustavat magneettisten monopolien syntymistä varhaisen maailmankaikkeuden aikana ja protonin epävakautta . Kumpikaan niistä ei ole havaittu toistaiseksi, ja tämä poissaolo tuo rajoituksia mahdollisille suolistosuolille.
Supersymmetrian ulottuu tavallinen malli lisäämällä uusia luokkia symmetrioiden on Lagrangen . Nämä symmetriat vaihtavat fermioni- ja bosonihiukkasia . Tällainen symmetria ennustaa supersymmetristen hiukkasten olemassaolon, spartikkelit , mukaan lukien nukkumat , squarkit , neutraaliinot ja lataukset . Jokaisella vakiomallihiukkasella oletetaan olevan superpartneri, jonka spin eroaa 1/2 tavallisen hiukkasen pyörimisestä . Johtuen supersymmetria Breaking The sparticles ovat paljon raskaampaa kuin tavallinen kollegansa. Ne ovat niin painavia, että nykyisillä hiukkaskiihdyttimillä ei ole tarpeeksi tehoa niiden tuottamiseen.
Vakiomallissa neutriinojen massa on täsmälleen nolla. Tämä johtuu vakiomallista, joka sisältää vain vasemmanpuoleisen kierteen neutriinoja . Ilman sopivaa kumppania, jolla on oikea kierteisyys, on mahdotonta lisätä renormoitavaa massatermiä vakiomalliin. Mittaukset osoittivat kuitenkin muutoksia neutriinojen makuissa, mikä viittaa siihen, että niillä on massa. Nämä mittaukset antavat vain eri makujen suhteellisen massan. Paras neutriinojen absoluuttisen massan rajoitus syntyy tritiumin hajoamisen tarkkuuden mittauksista , joissa yläraja on 2 eV tai vähintään viisi suuruusluokkaa kevyempi kuin muilla vakiomallipartikkeleilla. Tämä edellyttää vakiomallin laajentamista, joka paitsi kärsii siitä, että ei ole selitystä siitä, miten neutriinot hankkivat massaa, vaan myös sen, miksi massa on niin pieni.
Yksi tapa lisätä massaa neutriinoja, nimeltään katso näki mekanismi , on lisätä oikealle kiertävää neutriinoja, ja pari niitä levorotatorisen neutriinot käyttäen Dirac massa aikavälillä . Dextroratorator-neutriinojen on oltava steriilejä , mikä tarkoittaa, että ne eivät osallistu mihinkään standardimallin vuorovaikutukseen. Ilman varausta puristavat neutriinot voivat muodostaa omat hiukkasiantikkelinsa, ja niillä voi olla Majoranan massatermi . Kuten muutkin vakiomallin Dirac-massat, neutriinon Dirac-massan odotetaan muodostuvan Higgs-mekanismin avulla, joten sitä ei voida ennustaa. Standardimallin fermionimassat eroavat useista suuruusluokista; neutriinon Dirac-massalla on ainakin sama epävarmuus. Majoranan massa dekstrotorioiville neutriinoille on tarkoitus tapahtua käyttämällä standardia Higgs-mallia, ja sen odotetaan siksi liittyvän joihinkin uusiin fysiikan energian mittakaavoihin standardimallin ulkopuolella . Siten mikä tahansa prosessi, johon liittyy kääntyviä neutriinoja, tukahdutetaan matalilla energioilla. Korjausta johtuen nämä tukahdutetaan prosesseja tehokkaasti antaa vasemmalle kiertävä neutriinoja massa kääntäen verrannollinen massa oikealle kiertävää Majorana, mekanismi tunnetaan katso-saha (heiluri). Täten raskaiden dekstrotoroitavien neutriinojen läsnäolo selittää sekä kääntyvien neutriinojen pienen massan että heidän oman poissaolonsa havainnoissa. Dirac-neutriinomassojen epävarmuuden vuoksi suorakulmaisen neutriinomassat voivat kuitenkin olla missä tahansa. Ne voivat esimerkiksi olla yhtä vaaleita kuin muutama keV ja muodostaa pimeän aineen , niillä voi olla massa, joka on yhteensopiva LHC: n energia-alueen kanssa, ja johtaa havaittaviin leptonilukujen rikkomuksiin tai voivat olla lähellä asteikon astetta . suuren yhdistymisen teoria, yhdistämällä oikeakätisen neutriinon tällaisen teorian mahdollisuuteen.
Massan termit sekoittavat neutriinojen eri sukupolvia PMNS-matriisin parametroinnin mukaan , joka on analogia kvarkkisekoituksen CKM-matriisin neutriinolle . Toisin kuin melkein minimaalinen kvarkkien sekoitus, neutriinojen sekoittuminen näyttää melkein maksimaaliselta. Tämä johtaa paljon spekulaatioihin eri sukupolvien välisistä symmetrioista, mikä selittäisi sekoitustavan. Sekoitusmatriisi voi sisältää myös useita monimutkaisia vaiheita, jotka rikkovat CP-invariansiota, vaikka tälle ei ole kokeellista näyttöä. Nämä vaiheet voisivat mahdollisesti luoda leptonien ylijäämän anti-leptoneista varhaisessa maailmankaikkeudessa, prosessissa, joka tunnetaan nimellä leptogeneesi . Tämä epäsymmetria on saattanut myöhemmin muuttua baryonien ylimääräksi anti-baryonien suhteen ja selittää maailmankaikkeudessa havaitun aineen ja antiaineen epäsymmetrian.
Vaaleat neutriinot eivät pysty selittämään pimeää ainetta riittävän massan puutteen vuoksi. Lisäksi rakenteiden muodostumisen simulaatiot osoittavat, että ne ovat liian kuumia, eli niiden kineettinen energia on suuri verrattuna niiden massaan, kun taas galaksien kaltaisten rakenteiden muodostuminen universumissamme vaatii kylmää pimeää ainetta . Simulaatiot osoittavat, että neutriinot voivat parhaiten selittää pienen prosenttiosuuden pimeästä aineesta. Steriilit dekstrotorioivat neutriinot ovat kuitenkin mahdollisia ehdokkaita pimeän aineen WIMP: ille .
Useita preonimalleja on ehdotettu kvarkkien ja leptonien kolmen sukupolven jatkuvan ongelman ratkaisemiseksi. Preonimallit postuloivat yleensä uusia hiukkasia, jotka sitten esitellään kykeneviksi yhdistymään muodostaen vakiomallikvarkit ja leptonit. Yksi ensimmäisistä preon-malleista oli Rishon-malli.
Tähän päivään mennessä mitään preonimallia ei ole varmistettu, ja siksi se on yleisesti hyväksytty.
Teoreettinen fysiikka jatkaa pyrkimyksiään kaiken teorian selvittämiseen, joka selittäisi täysin ja yhdistää kaikki tunnetut fyysiset ilmiöt ja ennustaa minkä tahansa sen periaatteiden mukaisesti suoritetun kokeen tulokset. Käytännössä tämän näkökulman välitön tavoite on sellaisen teorian kehittäminen, joka yhdistää standardimallin ja yleisen suhteellisuusteorian kvanttigravitaation teoriaksi . Lisäparannuksia odotetaan, kuten käsitteellisten virheiden korjaaminen yhdessä tai toisessa näistä olemassa olevista teorioista tai tarkka ennuste hiukkasten massasta. Tällaisen teorian rakentamisen haasteet eivät ole vain käsitteellisiä, vaan ne sisältävät myös erittäin korkean energian kokeelliset näkökohdat, joita tarvitaan näiden eksoottisten kenttien tutkimiseen. Supersymmetria , The säieteoria ja silmukkakvanttipainovoima ovat yksi monia merkittäviä yrityksiä tähän suuntaan.
Vakiomallissa on laajennuksia, muutoksia, korvauksia ja uudelleenjärjestelyjä, kuten yrityksiä korjata nämä ja muut ongelmat. Säieteorian on yksi tällainen reinvention, ja monet teoreetikot uskovat näiden teorioiden Fyysikot seuraavana askeleena kohti teorian kaiken . Jotkut pitävät kvanttigravitaation kaltaisia teorioita, kuten silmukakvanttigravitaatiota tai muita, lupaavina ehdokkaina kvanttikenttien yhdistämisen ja yleisen suhteellisuusteorian matemaattiselle teorialle, mikä vaatii vähemmän dramaattisia muutoksia olemassa oleviin teorioihin. Viimeaikainen työ asettaa kuitenkin pakottavat rajat kvanttipainovoiman oletetuille vaikutuksille valon nopeudelle ja heikentää joitain kvantsipainovoiman malleja.
Monien merkkijonoteorian muunnelmien joukossa teoriaa M , jonka matemaattista olemassaoloa ehdotettiin ensimmäisen kerran jousikonferenssissa vuonna 1995, pidetään sopivana ehdokkaana kokonaisuuden teorialle, erityisesti tutkijat: fyysikot Brian Greene ja Stephen Hawking . Vaikka täydellistä matemaattista kuvausta ei vielä ole, joillekin erityistapauksille on olemassa ratkaisuja tähän teoriaan. Viimeaikaisessa työssä on ehdotettu myös vaihtoehtoisia merkkijonomalleja, joista joissakin ei ole monia M-teorian vaikeasti kokeilemia piirteitä (esim . Calabi - Yau-jakotukkien olemassaolo , monia muita ulottuvuuksia jne.), Mukaan lukien fyysikkojen työstä suosittuihin julkaisut, kuten Lisa Randall .
"On huomionarvoista, että kaksi kirkkain fyysisen menestyksen XX : nnen vuosisadan yleisen suhteellisuusteorian ja tavallinen malli, näkyvät pohjimmiltaan ristiriidassa"
mutta katso myös John F. Donoghue , ” Kvanttigravitaation tehokas kenttateorian käsittely ”, AIP Conference Proceedings. , voi. 1473,2012, s. 73 ( DOI 10.1063 / 1.4756964 , arXiv 1209.3511 ) :"Kirjallisuudessa on satoja väitteitä, joiden mukaan" yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka ovat yhteensopimattomia ". Ne ovat täysin vanhentuneita ja tuskin sopeutuneet enää. Nykyinen kenttäteoria osoittaa, että yleinen suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka toimivat täydellisesti normaalisti laajalla skaala- ja kaarevuusalueella, mukaan lukien ne, jotka liittyvät ympäröivään maailmaan. Voimassa olevat kenttateoriat ovat kuitenkin voimassa vain tietyille mittakaava-alueille. Yleinen suhteellisuusteoria aiheuttaa varmasti ongelmia äärimmäisessä mittakaavassa. On tärkeitä ongelmia, joita nykyinen kenttäteoria ei ratkaise, koska ne ovat sen voimassaolon ulkopuolella. Tämä tarkoittaa kuitenkin sitä, että kysymys kvanttipainovoimasta ei ole sitä, mitä oletimme. Kvanttimekaniikan ja painovoiman välisen perustavanlaatuisen yhteensopimattomuuden sijasta olemme tutummassa tilanteessa, jossa tarvitsemme täydellisemmän teorian, joka ylittää niiden yhdistetyn yhteensopimattomuuden. Yleinen suhteellisuusteorian ja kvanttimekaniikan tavallinen avioliitto toimii hyvin tavallisilla energioilla, mutta nyt etsimme selvää, mitä muutoksia on tapahduttava ääriolosuhteissa. Tämä muodostaa modernin kuvan kvanttigravitaation ongelmasta ja se edustaa edistystä vanhentuneeseen näkemykseen menneisyydestä. "