https://madrid.hostmaster.org/articles/physics_beyond_the_standard_model/cs.html
Do roku 2012, kdy byl v CERNu na Velkém hadronovém urychlovači potvrzen Higgsův boson, byl Standardní model (SM) na papíře kompletní. Každá předpovězená částice byla nalezena. Jeho rovnice prošly každou experimentální zkouškou s ohromující přesností.
Přesto v oblasti fyziky nepřevládal pocit uzavření, ale spíše pocit neúplnosti. Podobně jako Newtonovy zákony před Einsteinem nebo klasická fyzika před kvantovou mechanikou, Standardní model byl příliš úspěšný na škálách, které můžeme testovat, ale neschopný odpovědět na hlubší otázky. Byl to téměř dokonalý plán – ale pouze malé části krajiny.
Nejviditelnějším opomenutím je gravitace.
To není jen drobný přehmat. Obecná relativita považuje gravitaci za zakřivení časoprostoru, hladké geometrické pole, zatímco SM zachází se silami jako s kvantovými poli zprostředkovanými částicemi. Pokusy o kvantizaci gravitace stejným způsobem narážejí na nekonečna, která nelze renormalizovat.
Standardní model a GR jsou jako dva různé operační systémy – skvělé ve svých doménách, ale zásadně neslučitelné. Jejich sladění je možná největší výzvou současné fyziky.
SM předpovídá, že neutrina jsou bezhmotná. Experimenty, počínaje detektorem Super-Kamiokande v Japonsku (1998) a potvrzené po celém světě, však ukázaly, že neutrina oscilují mezi různými druhy (elektronové, mionové, tau). Oscilace vyžadují hmotnost.
To byl první potvrzený důkaz fyziky mimo Standardní model. Objev získal v roce 2015 Nobelovu cenu pro Kajitu a McDonalda.
Neutrina jsou extrémně lehká, nejméně milionkrát lehčí než elektron. Jejich hmotnosti nejsou SM vysvětleny – ale mohou naznačovat novou fyziku, jako je mechanismus klouzavého pohybu, sterilní neutrina nebo spojení s raným vesmírem. V některých scénářích těžká klouzavá neutrina umožňují leptogenezi, kde je vytvořena asymetrie leptonů v raném vesmíru, která se později přemění na pozorovanou asymetrii hmoty a antihmoty.
Viditelná hmota popsaná SM tvoří méně než 5 % vesmíru. Zbytek je neviditelný.
Teorie navrhují nové částice: WIMPy (slabě interagující hmotné částice), axiony, sterilní neutrina nebo něco podivnějšího. Přes desetiletí pátrání – podzemní detektory, experimenty na urychlovačích, astrofyzikální průzkumy – temná hmota zůstává nepolapitelná.
Ještě záhadnější je temná energie, síla pohánějící zrychlující se expanzi vesmíru.
Tento problém kosmologické konstanty je pravděpodobně nejostřejším střetem mezi kvantovou teorií pole a gravitací. Standardní model nemá o temné energii co říci. Je to obrovská díra v našem chápání vesmíru.
Další hlubokou hádankou je samotný Higgsův boson.
Hmotnost Higgsova bosonu je změřena na 125 GeV. Kvantové korekce by ji však měly vytlačit až k Planckově škále (\(10^{19}\) GeV), pokud neexistují zázračné vyrušení. Proč je tedy tak lehký ve srovnání s přirozenými energetickými škálami gravitace?
Toto je problém hierarchie: Higgs se jeví jako nepřirozeně jemně vyladěný. Fyzici tuší novou fyziku, jako je supersymetrie (SUSY), která by mohla stabilizovat hmotnost Higgsova bosonu zavedením partnerských částic, jež ruší nebezpečné korekce. (Debaty o přirozenosti zahrnují myšlenky od dynamických řešení po antropické úvahy v možném „krajinném“ prostředí vakua.)
SM zahrnuje určité porušení CP symetrie, ale zdaleka ne dost na vysvětlení, proč je vesmír dnes plný hmoty místo stejného množství hmoty a antihmoty. Jak bylo uvedeno výše, mechanismy jako leptogeneze (často spojené s původem hmotnosti neutrin typu klouzavého pohybu) poskytují jednu přesvědčivou cestu, kde fyzika mimo SM naklání rovnováhu.
Standardní model je někdy nazýván „nejúspěšnější teorií ve fyzice“. Jeho předpovědi odpovídají experimentům na 10–12 desetinných míst. Vysvětluje téměř vše, co vidíme v urychlovačích částic a laboratořích.
Ale je neúplný:
Fyzici nyní stojí před známým momentem v historii. Stejně jako Newtonova mechanika ustoupila relativitě a klasická fyzika kvantové mechanice, musí Standardní model nakonec ustoupit něčemu hlubšímu.
Konečným cílem je Velká sjednocená teorie (GUT) nebo dokonce Teorie všeho (ToE): rámec, který sjednocuje všechny čtyři síly, vysvětluje všechny částice a funguje konzistentně od nejmenších škál (kvantová gravitace) po největší (kosmologie).
Toto je svatý grál moderní fyziky. Proto vědci tlačí urychlovače na vyšší energie, budují masivní detektory neutrin, mapují vesmír teleskopy a vynalézají odvážnou novou matematiku.
Další kapitoly prozkoumají hlavní kandidáty:
Každá z těchto myšlenek nevznikla jako dogma, ale jako věda v nejlepším slova smyslu: všímání si trhlin, budování nových teorií a jejich testování proti realitě.
Fyzika má dlouhou historii sjednocení prostřednictvím symetrie. Maxwellovy rovnice sjednotily elektřinu a magnetismus. Speciální relativita sjednotila prostor a čas. Elektroslabá teorie sjednotila dvě ze čtyř základních sil. Každý skok vpřed přišel odhalováním skryté symetrie v přírodě.
Supersymetrie – nebo SUSY, jak ji fyzici láskyplně nazývají – je odvážný návrh, že další velká symetrie spojuje dvě zdánlivě odlišné kategorie částic: hmotu a síly.
V Standardním modelu se částice dělí do dvou širokých rodin:
Fermiony (spin 1/2): Patří sem kvarky a leptony, stavební kameny hmoty. Jejich poloviční spin znamená, že se řídí Pauliho vylučovacím principem: žádné dva identické fermiony nemohou být ve stejném stavu. To je důvod, proč mají atomy strukturované obaly a proč je hmota stabilní.
Bosony (celočíselný spin): Patří sem fotony, gluony, W a Z bosony a Higgsův boson. Bosony zprostředkovávají síly. Na rozdíl od fermionů se mohou hromadit ve stejném stavu, což je důvod, proč existují lasery (fotony) a Bose–Einsteinovy kondenzáty.
Stručně řečeno: fermiony tvoří hmotu, bosony přenášejí síly.
Supersymetrie navrhuje symetrii, která spojuje fermiony a bosony. Pro každý známý fermion existuje bosonový partner. Pro každý známý boson fermionový partner.
(„Fotino“ a „zino“ jsou starší přezdívky pro gauge-vlastní stavy; experimenty ve skutečnosti hledají hmotnostní vlastní stavy uvedené výše.)
Proč navrhovat tak radikální zdvojení světa částic? Protože SUSY slibuje elegantní řešení některých nejhlubších problémů, které Standardní model zanechal.
Jedním z největších lákadel SUSY je její schopnost řešit problém hierarchie: proč je Higgsův boson tak lehký ve srovnání s Planckovou škálou.
V Standardním modelu by kvantové korekce od virtuálních částic měly vytlačit hmotnost Higgsova bosonu na obrovské hodnoty. Supersymetrie zavádí spartice, jejichž příspěvky ruší tyto divergence. Výsledek: hmotnost Higgsova bosonu je přirozeně stabilizována, bez potřeby jemného ladění (alespoň v „přirozených“ SUSY spektrech).
Další motivací pro SUSY je sjednocení sil.
To naznačuje, že při extrémně vysokých energiích se všechny tři síly mohou sjednotit do jedné Velké sjednocené teorie (GUT).
Supersymetrie také poskytuje přirozeného kandidáta na temnou hmotu.
Pokud je SUSY správná, jedna ze spartic by měla být stabilní a elektricky neutrální. Hlavním kandidátem je nejlehčí neutralino, směs bina, wina a higgsin.
Neutralina by interagovala pouze slabě, což odpovídá profilu WIMPů (slabě interagujících hmotných částic). Pokud by byla objevena, mohla by vysvětlit chybějících 27 % hmoty vesmíru.
Po desetiletí fyzici doufali, že se supersymetrické částice objeví těsně nad energetickými škálami, které již byly prozkoumány.
Nedostatek objevů SUSY na LHC byl zklamáním. Mnoho nejjednodušších verzí SUSY, jako je „minimální supersymetrický Standardní model“ (MSSM), je nyní silně omezeno. „Přirozená“ spektra jsou tlačena do těžších hodnot, což znamená více ladění, pokud SUSY existuje poblíž škály TeV.
Přesto SUSY nebyla vyloučena. Složité modely předpovídají těžší nebo jemnější spartice, možná mimo dosah LHC, nebo s interakcemi příliš slabými na snadné odhalení.
Kromě svých fenomenologických motivací má SUSY hlubokou matematickou eleganci.
I když příroda nerealizuje SUSY na dostupných energiích, její matematika již obohatila fyziku.
Dnes SUSY zaujímá zvláštní pozici.
Pokud LHC a jeho nástupci nenajdou nic, může být SUSY realizována pouze na energetických škálách daleko mimo náš dosah – nebo možná příroda zvolila zcela jinou cestu.
Supersymetrie ilustruje vědeckou metodu v akci.
Fyzici identifikovali problémy: otázku hierarchie, sjednocení, temnou hmotu. Navrhli odvážnou novou symetrii, která je všechny řeší. Navrhli experimenty k jejímu testování. Zatím jsou výsledky negativní – ale to neznamená, že byla myšlenka zbytečná. SUSY zdokonalila naše nástroje, objasnila, co hledáme, a vedla celé generace výzkumu.
Podobně jako éter nebo epicykly před ní, SUSY může být odrazovým můstkem k hlubší pravdě, ať už přežije jako konečné slovo, nebo ne.
Fyzika mimo Standardní model je často motivována záplatami: řešením problému hierarchie, vysvětlením temné hmoty, sjednocením gauge konstant. Teorie strun je jiná. Nezačíná konkrétním problémem. Místo toho začíná matematikou – a končí přetvořením našeho celkového pojetí prostoru, času a hmoty.
Teorie strun začala, překvapivě, ne jako teorie všeho, ale jako neúspěšný pokus o pochopení silné jaderné síly.
Koncem 60. let, než byla plně vyvinuta QCD, se fyzici snažili vysvětlit zoo hadronů. Všimli si vzorců v datech o rozptylu, které naznačovaly, že rezonance mohou být modelovány vibrujícími strunami.
„Model duální rezonance,“ představený Venezianem v roce 1968, popisoval silné interakce, jako by hadrons byly excitacemi drobných strun. Byl elegantní, ale rychle opuštěn, jakmile se QCD ukázala jako skutečná teorie silné síly.
Přesto teorie strun odmítla zemřít. V jejích rovnicích byly skryty pozoruhodné vlastnosti, které zdánlivě ukazovaly daleko za jadernou fyziku.
Když teoretici kvantovali vibrace strun, zjistili, že spektrum nevyhnutelně obsahuje bezhmotnou částici se spinem 2.
To bylo šokující. Kvantová teorie pole ukázala, že bezhmotná částice se spinem 2 je unikátní: musí to být kvantum gravitace, graviton.
Jak později poznamenal John Schwarz: „Ale objevila se překvapivá skutečnost: matematika teorie strun nevyhnutelně obsahovala bezhmotnou částici se spinem 2 – graviton.“
To, co začalo jako teorie hadronů, náhodně vytvořilo stavební kámen kvantové gravitace.
V jádru teorie strun nahrazuje bodové částice drobnými jednorozměrnými objekty: strunami.
Struny mohou být otevřené (s dvěma koncovými body) nebo uzavřené (smyčky).
Různé vibrační módy struny odpovídají různým částicím.
Tato jednoduchá změna – z bodů na struny – řeší mnoho nekonečen, která sužují kvantovou gravitaci. Konečná velikost struny rozmazává interakce, které by jinak explodovaly na nule.
Rané verze teorie strun měly problémy: obsahovaly tachyony (nestability) a vyžadovaly nerealistické vlastnosti. Průlom přišel se zavedením supersymetrie, což vedlo k teorii superstrun v 70. a 80. letech.
Superstruny eliminovaly tachyony, zahrnovaly fermiony a přinesly novou matematickou konzistenci.
Ale byl tu háček: teorie strun funguje pouze ve vyšších dimenzích. Konkrétně v 10 dimenzích časoprostoru.
Tato myšlenka, jakkoli radikální, nebyla zcela nová. Ve 20. letech teorie Kaluzy–Kleina už naznačila, že extra dimenze mohou sjednotit gravitaci a elektromagnetismus. Teorie strun tuto myšlenku oživila a značně rozšířila.
V polovině 80. let fyzici zjistili, že teorie strun není jedinečná, ale přichází v pěti odlišných verzích:
Každá se zdála matematicky konzistentní, ale proč by si příroda měla vybrat jednu?
V roce 1984 Michael Green a John Schwarz ukázali, že teorie strun dokáže automaticky rušit kvantové anomálie – něco, co kvantové teorie pole musely pečlivě navrhovat. Tento objev spustil první revoluci superstrun, kdy se tisíce fyziků obrátily k teorii strun jako kandidátovi na sjednocenou teorii všech sil.
Byl to první vážný rámec, ve kterém byla kvantová gravitace nejen konzistentní, ale nevyhnutelná.
V polovině 90. let se rozvinula druhá revoluce. Edward Witten a další zjistili, že pět různých teorií strun nebyly soupeři, ale různými limity jedné, hlubší teorie: M-teorie.
M-teorie je považována za existující v 11 dimenzích a zahrnuje nejen struny, ale i vyšší dimenzionální objekty nazývané brány (zkráceně membrány).
Tyto brány daly vzniknout bohatým novým možnostem: celé vesmíry by mohly existovat jako 3-brány plovoucí ve vyšší dimenzionálním prostoru, přičemž gravitace prosakuje do objemu, zatímco ostatní síly zůstávají omezeny. Tento obraz inspiroval moderní modely extra dimenzí, jako je Randall–Sundrum.
Kaluza–Klein (1920s): Navrhla pátou extra dimenzi k sjednocení gravitace a elektromagnetismu. Myšlenka byla na desetiletí odložena, ale teorie strun ji oživila v grandióznější podobě. Kompaktní extra dimenze zůstávají klíčovou vlastností modelů strun.
Randall–Sundrum (1999): Navrhla „zkroucené“ extra dimenze, kde je náš vesmír 3-bránou vloženou do vyšších dimenzí. Gravitace se šíří v objemu, což vysvětluje, proč je slabší než jiné síly. Takové modely předpovídají možné signály v urychlovačích částic nebo odchylky od Newtonova zákona na velmi krátkých vzdálenostech.
Teorie strun přináší odvážná tvrzení, ale jejich testování je nesmírně obtížné.
Navzdory výzvám poskytla teorie strun plodnou půdu pro matematiku, inspirovala pokrok v geometrii, topologii a dualitách, jako je AdS/CFT (spojující gravitaci ve vyšších dimenzích s kvantovou teorií pole bez gravitace).
Zastánci tvrdí, že teorie strun je nejslibnější cestou k sjednocené teorii: zahrnuje kvantovou gravitaci, sjednocuje všechny síly a vysvětluje, proč graviton musí existovat.
Kritici argumentují, že bez experimentálního potvrzení riskuje teorie strun odtržení od empirické vědy. Její obrovský „krajinný“ prostor možných řešení (až \(10^{500}\)) ztěžuje vytváření jednoznačných předpovědí.
Obě strany se shodují na jednom: teorie strun změnila způsob, jakým přemýšlíme o fyzice, poskytuje nový jazyk pro sjednocení.
Pokud je supersymetrie dalším krokem za Standardním modelem, teorie strun je krokem za tím: kandidátem na dlouho hledanou Teorii všeho.
Její nejodvážnější tvrzení není jen to, že zahrnuje Standardní model a gravitaci, ale že tyto jsou nevyhnutelnými důsledky vibrujících strun ve vyšších dimenzích. Graviton není přídavkem – je vestavěný.
Zda příroda zvolila tuto cestu, zůstává k objevení.
Teorie jsou životní silou fyziky, ale experimenty jsou jejím tepem. Supersymetrie, teorie strun a extra dimenze jsou krásné matematické konstrukce, ale žijí nebo umírají podle důkazů. Pokud mají být více než spekulacemi, musí zanechat otisky v datech.
Fyzici vymysleli důmyslné způsoby, jak tyto otisky hledat – v urychlovačích, ve vesmíru a ve struktuře samotného časoprostoru.
Velký hadronový urychlovač (LHC) v CERNu je nejvýkonnějším urychlovačem částic na světě, srážející protony při energiích až 13,6 TeV (design: 14 TeV). Byl hlavním nástrojem lidstva pro zkoumání fyziky mimo Standardní model.
Některé teorie naznačují, že pokud se gravitace stane silnou na škále TeV, mohly by se v srážkách na LHC tvořit drobné černé díry, odpařující se v záblescích částic. Žádné takové události nebyly pozorovány.
Pokud existují extra dimenze, Newtonův zákon gravitace by mohl selhat na krátkých vzdálenostech.
Tyto stolní experimenty jsou pozoruhodně citlivé a zkoumají škály nedostupné urychlovačům.
Objev gravitačních vln LIGO v roce 2015 otevřel novou hranici.
Dosavadní pozorování jsou konzistentní s GR v rámci současných nejistot, ale vyšší přesnost může odhalit překvapení.
Samotný vesmír je konečným urychlovačem částic.
Zatím je obloha tichá. Temná hmota zůstává neodhalena a kosmologická data odpovídají modelu ΛCDM bez jasných strunných otisků.
Desetiletí pátrání nepotvrdila SUSY, extra dimenze ani strunné signály. Ale absence důkazů není důkazem absence:
Několik přesných anomálií (např. měření (g-2) mionu a některé napětí ve fyzice chutí) zůstává zajímavých, ale nevyřešených; motivují pokračující zkoumání, aniž by zatím převracely SM.
Co experimenty udělaly, je zúžit prostor parametrů. Řekly nám, kde SUSY není, jak malé musí být extra dimenze a jak silně může nebo nemůže temná hmota interagovat.
Budoucí experimenty slibují hlubší průzkum:
Experimentální příběh fyziky BSM není příběhem selhání, ale procesu.
Stejně jako Rutherfordův experiment se zlatou fólií rozbil model švestkového pudinku nebo LIGO rozbilo pochybnosti o gravitačních vlnách, další velký objev může přijít náhle – a změnit všechno.
Po staletí fyzika postupovala sjednocením. Newton sjednotil nebesa a Zemi pod jedním zákonem gravitace. Maxwell sjednotil elektřinu a magnetismus. Einstein sjednotil prostor a čas. Elektroslabá teorie ukázala, že dvě velmi odlišné síly jsou aspekty jedné.
Příští krok je nejodvážnější: sjednotit všechny čtyři základní interakce – silnou, slabou, elektromagnetickou a gravitační – do jednoho, sebe konzistentního rámce. Toto je svatý grál fyziky: Teorie všeho (ToE).
Kompletní sjednocení není jen filozofická elegance; řeší hluboké praktické a konceptuální problémy:
ToE by nesjednotila jen síly – sjednotila by škály, od nejmenších strun kvantové teorie po největší kosmické struktury.
Supersymetrie (SUSY), pokud je realizována v přírodě, poskytuje odrazový můstek k ToE.
SUSY-inspirované GUTy (jako SU(5), SO(10) nebo E₆) předpokládají, že při ultra-vysokých energiích jsou kvarky a leptony sjednoceny do větších multipletů a síly jsou sloučeny do jedné gauge skupiny.
Ale SUSY se v experimentech dosud neobjevila. Pokud existuje pouze na škálách mimo náš dosah, její sjednocující síla může zůstat lákavá, ale skrytá.
Teorie strun jde dále. Místo záplatování Standardního modelu přepisuje základy:
V této vizi není sjednocení náhodou – je to geometrie. Síly se liší, protože struny vibrují různými způsoby, tvarovanými topologií extra dimenzí.
Objev, že pět teorií strun je propojeno dualitami, vedl k M-teorii, ještě grandióznějšímu rámci:
M-teorie je stále neúplná, ale představuje nejambicióznější krok směrem k ToE, jaký kdy byl podniknut.
Teorie strun a M-teorie nejsou jedinými cestami. Fyzici zkoumají více rámců, každý s jinými silnými stránkami:
I když zatím žádný z nich nerivalizuje sjednocujícímu rozsahu teorie strun, ukazují bohatství hledání.
ToE musí být nakonec testovatelná. Ačkoli je Planckova škála daleko za dosahem současných experimentů, fyzici hledají nepřímé důkazy:
Zatím ToE zůstává mimo dosah, ale každý nulový výsledek zužuje možnosti.
Skutečná ToE by nesjednotila jen fyziku – sjednotila by lidské poznání. Propojila by kvantovou mechaniku a relativitu, mikro a makro, částici a vesmír.
Přesto čelí paradoxu: škála, na které dochází ke sjednocení, může být navždy mimo experimentální dosah. 100 TeV urychlovač zkoumá jen zlomek cesty k Planckově škále. Možná budeme muset spoléhat na kosmologii, matematickou konzistenci nebo nepřímé signatury.
Sen zůstává naživu díky hluboké eleganci rámců. Jak poznamenal Witten, teorie strun není jen „soubor rovnic“, ale „nový rámec pro fyziku.“
Hledání ToE není o prohlašování teorie strun, SUSY nebo jakékoli jednotlivé myšlenky za „pravdivou“. Jde o vědeckou metodu:
Příběh je zdaleka neukončen. Ale právě tato otevřenost – odmítání považovat jakoukoli teorii za posvátnou – činí fyziku živou vědou, nikoli dogmatem.
Příští století fyziky může odhalit:
Nebo možná skutečná ToE je něco, co si zatím nikdo nepředstavil.
Ale samo hledání – touha sjednotit, vysvětlit, vidět přírodu jako celek – je stejně součástí lidskosti jako rovnice samotné.