https://madrid.hostmaster.org/articles/physics_beyond_the_standard_model/fi.html
Vuoteen 2012 mennessä, kun Higgsin bosoni oli vahvistettu CERNin Suurella hadronitörmäyttimellä, Standardimalli (SM) oli paperilla valmis. Jokainen ennustettu hiukkanen oli löydetty. Sen yhtälöt olivat läpäisseet jokaisen kokeellisen testin hämmästyttävällä tarkkuudella.
Siitä huolimatta fysiikan ilmapiiri ei ollut päätöksen vaan epätäydellisyyden tuntu. Kuten Newtonin lait ennen Einsteinia tai klassinen fysiikka ennen kvanttimekaniikkaa, Standardimalli oli liian menestyksekäs niillä mittakaavoilla, joita voimme testata, mutta kykenemätön vastaamaan syvempiin kysymyksiin. Se oli lähes täydellinen kartta – mutta vain pienestä osasta maisemaa.
Kaikkein ilmeisin puute on painovoima.
Tämä on enemmän kuin pelkkä unohdus. Yleinen suhteellisuusteoria käsittelee painovoimaa avaruusajan kaareutumisena, sileänä geometrisena kenttänä, kun taas SM käsittelee voimia kvanttikenttinä, joita hiukkaset välittävät. Yritykset kvantisoida painovoima samalla tavalla törmäävät äärettömyyksiin, joita ei voida renormalisoida.
Standardimalli ja GR ovat kuin kaksi eri käyttöjärjestelmää – loistavia omilla alueillaan, mutta perustavanlaatuisesti yhteensopimattomia. Niiden sovittaminen yhteen on kenties fysiikan suurin haaste tänä päivänä.
SM ennustaa, että neutriinoilla ei ole massaa. Kokeet, alkaen Japanin Super-Kamiokande-ilmaisimesta (1998) ja vahvistettu maailmanlaajuisesti, osoittivat kuitenkin, että neutriinot oskilloivat eri makujen (elektroni, myoni, tau) välillä. Oskillaatio vaatii massaa.
Tämä oli ensimmäinen vahvistettu todiste fysiikasta Standardimallin ulkopuolella. Löytö voitti vuoden 2015 Nobelin palkinnon Kajitalle ja McDonaldille.
Neutriinot ovat äärimmäisen kevyitä, ainakin miljoona kertaa kevyempiä kuin elektroni. Niiden massoja ei selitä SM – mutta ne voivat vihjata uuteen fysiikkaan, kuten keinumekanismiin, steriileihin neutriinoihin tai yhteyksiin varhaiseen maailmankaikkeuteen. Joissakin skenaarioissa raskaat keinuneutriinot mahdollistavat leptogeneesin, jossa varhaisessa maailmankaikkeudessa luodaan leptonien asymmetria, joka myöhemmin muuttuu havaituksi materia–antimateria-asymmetriaksi.
SM:n kuvaama näkyvä aine muodostaa alle 5 % maailmankaikkeudesta. Loppu on näkymätöntä.
Teoriat ehdottavat uusia hiukkasia: WIMPejä (heikosti vuorovaikuttavia massiivisia hiukkasia), aksioneita, steriilejä neutriinoja tai jotain oudompaa. Mutta vuosikymmenten etsinnöistä huolimatta – maanalaiset ilmaisimet, törmäyskokeet, astrofysikaaliset kartoitukset – pimeä aine pysyy tavoittamattomissa.
Vielä salaperäisempi on pimeä energia, voima, joka ajaa maailmankaikkeuden kiihtyvää laajenemista.
Tämä kosmologisen vakion ongelma on kenties terävin ristiriita kvanttikenttäteorian ja painovoiman välillä. Standardimallilla ei ole mitään sanottavaa pimeästä energiasta. Se on valtava aukko ymmärryksessämme kosmosta.
Toinen syvä arvoitus piilee itse Higgsin bosonissa.
Higgsin massa on mitattu 125 GeV:ksi. Kvanttikorjausten pitäisi kuitenkin työntää sen lähelle Planckin skaalaa (\(10^{19}\) GeV), ellei tapahdu ihmeellisiä kumoamisia. Miksi se on niin kevyt verrattuna painovoiman luonnollisiin energiaskaaloihin?
Tämä on hierarkiaongelma: Higgs vaikuttaa epänormaalisti hienosäädetyltä. Fyysikot epäilevät uutta fysiikkaa, kuten supersymmetriaa (SUSY), joka voisi vakauttaa Higgsin massan tuomalla kumppanihiukkasia, jotka kumoavat vaaralliset korjaukset. (Keskustelut luonnollisuudesta sisältävät ideoita dynaamisista ratkaisuista antrooppiseen päättelyyn mahdollisessa “maisemassa” tyhjiöistä.)
SM sisältää jonkin verran CP-rikkomusta, mutta ei läheskään tarpeeksi selittämään, miksi nykyinen maailmankaikkeus on täynnä materiaa eikä saman verran materiaa ja antimateriaa. Kuten edellä mainittiin, mekanismit kuten leptogeneesi (usein sidottu neutriinojen massojen keinumekanismiin) tarjoavat yhden vakuuttavan polun, jossa fysiikka SM:n ulkopuolella kallistaa vaakaa.
Standardimallia kutsutaan joskus “fysiikan menestyneimmäksi teoriaksi”. Sen ennusteet vastaavat kokeita 10–12 desimaalin tarkkuudella. Se selittää lähes kaiken, mitä näemme hiukkaskiihdyttimissä ja laboratorioissa.
Mutta se on epätäydellinen:
Fyysikot kohtaavat nyt tutun hetken historiassa. Aivan kuten Newtonin mekaniikka väistyi suhteellisuusteorialle ja klassinen fysiikka kvanttimekaniikalle, Standardimallin on lopulta annettava tilaa jollekin syvemmälle.
Lopullinen tavoite on Suuri yhtenäinen teoria (GUT) tai jopa Kaiken teoria (ToE): kehys, joka yhdistää kaikki neljä voimaa, selittää kaikki hiukkaset ja toimii johdonmukaisesti pienimmistä skaaloista (kvanttipainovoima) suurimpiin (kosmologia).
Tämä on modernin fysiikan Pyhä Graalin malja. Siksi tutkijat työntävät kiihdyttimiä korkeampiin energioihin, rakentavat massiivisia neutriinoilmaisimia, kartoittavat kosmosta teleskoopeilla ja keksivät rohkeita uusia matemaattisia lähestymistapoja.
Seuraavat luvut tutkivat johtavia ehdokkaita:
Jokainen näistä ideoista ei syntynyt dogmina, vaan tieteenä parhaimmillaan: huomaamalla halkeamia, rakentamalla uusia teorioita ja testaamalla niitä todellisuutta vastaan.
Fysiikalla on pitkä historia yhdistämisestä symmetrian kautta. Maxwellin yhtälöt yhdistivät sähkön ja magnetismin. Erityinen suhteellisuusteoria yhdistivät avaruuden ja ajan. Elektroheikko teoria yhdistivät kaksi neljästä perusvoimasta. Jokainen harppaus eteenpäin tuli paljastamalla luonnossa piilevä symmetria.
Supersymmetria – tai SUSY, kuten fyysikot sitä hellästi kutsuvat – on rohkea ehdotus, että seuraava suuri symmetria yhdistää kaksi näennäisesti erillistä hiukkasluokkaa: aineen ja voimat.
Standardimallissa hiukkaset jakautuvat kahteen laajaan perheeseen:
Fermionit (spin 1/2): Näihin kuuluvat kvarkit ja leptonit, aineen rakennuspalikat. Niiden puolikokonaislukuinen spin tarkoittaa, että ne noudattavat Paulin poissulkemisperiaatetta: kaksi identtistä fermionia ei voi olla samassa tilassa. Tämä selittää, miksi atomeilla on rakenteelliset kuoret ja miksi aine on stabiilia.
Bosonit (kokonaislukuinen spin): Näihin kuuluvat fotonit, gluonit, W- ja Z-bosonit sekä Higgsin bosoni. Bosonit välittävät voimia. Toisin kuin fermionit, ne voivat kasaantua samaan tilaan, minkä vuoksi laserit (fotonit) ja Bose–Einstein-kondensaattorit ovat olemassa.
Lyhyesti: fermionit muodostavat aineen, bosonit kantavat voimia.
Supersymmetria ehdottaa symmetriaa, joka yhdistää fermionit ja bosonit. Jokaiselle tunnetulle fermionille on olemassa bosoninen kumppani. Jokaiselle tunnetulle bosonille fermioninen kumppani.
(“Fotino” ja “zino” ovat vanhempia gauge-ominaisnimityksiä; kokeet etsivät itse asiassa yllä mainittuja massan ominaisarvoja.)
Miksi ehdottaa näin radikaalia hiukkasmaailman kaksinkertaistamista? Koska SUSY lupaa elegantteja ratkaisuja joihinkin Standardimallin jättämiin syvimpiin ongelmiin.
Yksi SUSY:n suurimmista vetovoimatekijöistä on sen kyky käsitellä hierarkiaongelmaa: miksi Higgsin bosoni on niin kevyt verrattuna Planckin skaalaan.
Standardimallissa virtuaalisten hiukkasten kvanttikorjaukset pitäisi ajaa Higgsin massa valtaviin arvoihin. Supersymmetria tuo mukanaan spartikkeleita, joiden panokset kumoavat nämä divergenssit. Tulos: Higgsin massa stabiloituu luonnollisesti ilman hienosäätöä (ainakin “luonnollisissa” SUSY-spektreissä).
Toinen motivaatio SUSY:lle tulee voimien yhdistämisestä.
Tämä viittaa siihen, että erittäin korkeilla energioilla kaikki kolme voimaa voivat yhdistyä yhdeksi Suureksi yhtenäiseksi teoriaksi (GUT).
Supersymmetria tarjoaa myös luonnollisen kandidaatin pimeälle aineelle.
Jos SUSY on oikein, yhden spartikkelin pitäisi olla stabiili ja sähköisesti neutraali. Johtava kandidaatti on kevyin neutralino, binon, winon ja higgsinojen sekoitus.
Neutralinot vuorovaikuttaisivat vain heikosti, sopien WIMPien (heikosti vuorovaikuttavien massiivisten hiukkasten) profiiliin. Jos ne löydettäisiin, ne voisivat selittää maailmankaikkeuden puuttuvan 27 %:n aineen.
Vuosikymmenten ajan fyysikot toivoivat, että supersymmetriset hiukkaset ilmestyisivät juuri niiden energiaskaalojen yläpuolelle, joita oli jo tutkittu.
SUSY:n löytöjen puute LHC:ssä on ollut pettymys. Monet yksinkertaisimmista SUSY-versioista, kuten “minimaalinen supersymmetrinen Standardimalli” (MSSM), ovat nyt voimakkaasti rajoitettuja. “Luonnolliset” spektrit työntyvät raskaampiin arvoihin, mikä merkitsee enemmän hienosäätöä, jos SUSY sijaitsee lähellä TeV-skaalaa.
Silti SUSY:ä ei ole suljettu pois. Monimutkaisemmat mallit ennustavat raskaampia tai hienovaraisempia spartikkeleita, ehkä LHC:n ulottumattomissa, tai vuorovaikutuksia, jotka ovat liian heikkoja helposti havaittaviksi.
Fenomenologisten motivaatioidensa lisäksi SUSY:llä on syvä matemaattinen eleganssi.
Vaikka luonto ei toteuttaisi SUSY:ä saavutettavissa olevilla energioilla, sen matematiikka on jo rikastuttanut fysiikkaa.
Tänään SUSY pitää omituisen aseman.
Jos LHC ja sen seuraajat eivät löydä mitään, SUSY saattaa toteutua vain energiaskaaloilla, jotka ovat kaukana ulottuvillamme – tai ehkä luonto valitsi täysin erilaisen polun.
Supersymmetria havainnollistaa tieteellistä menetelmää toiminnassa.
Fyysikot tunnistivat ongelmia: hierarkiaongelman, yhdistymisen, pimeän aineen. He ehdottivat rohkeaa uutta symmetriaa, joka ratkaisee ne kaikki. He suunnittelivat kokeita sen testaamiseksi. Toistaiseksi tulokset ovat negatiivisia – mutta se ei tarkoita, että idea olisi hukkaan heitetty. SUSY terävöitti työkalumme, selvensi, mitä etsimme, ja ohjasi kokonaisia tutkimussukupolvia.
Kuten eetteri tai episyklit ennen sitä, SUSY voi osoittautua välietapiksi kohti syvempää totuutta, selviääkö se lopullisena sanana vai ei.
Fysiikka Standardimallin ulkopuolella on usein motivoitunut paikkauksista: hierarkiaongelman ratkaiseminen, pimeän aineen selittäminen, gauge-kytkentöjen yhdistäminen. Säieteoria on erilainen. Se ei ala tietystä pulmasta. Sen sijaan se alkaa matematiikasta – ja päätyy muokkaamaan koko käsitystämme avaruudesta, ajasta ja aineesta.
Säieteoria alkoi yllättävästi, ei kaiken teoriana, vaan epäonnistuneena yrityksenä ymmärtää vahvaa ydinvoimaa.
1960-luvun lopulla, ennen kuin QCD oli täysin kehitetty, fyysikot yrittivät selittää hadronien eläintarhaa. He huomasivat hajoamisdatassa kuvioita, jotka viittasivat siihen, että resonansseja voisi mallintaa värähtelevillä säikeillä.
“Du-al resonanssimalli,” jonka Veneziano esitteli vuonna 1968, kuvasi vahvoja vuorovaikutuksia ikään kuin hadrons olisivat pienten säikeiden virityksiä. Se oli elegantti mutta nopeasti hylätty, kun QCD nousi vahvan voiman todelliseksi teoriaksi.
Silti säieteoria kieltäytyi kuolemasta. Sen yhtälöissä oli piilotettuja merkittäviä piirteitä, jotka tuntuivat viittaavan paljon ydinfysiikan ulkopuolelle.
Kun teoreetikot kvantisoivat säikeiden värähtelyjä, he huomasivat, että spektri sisälsi väistämättä massattoman spin-2-hiukkasen.
Tämä oli järkyttävää. Kvanttikenttäteoria oli osoittanut, että massaton spin-2-hiukkanen on ainutlaatuinen: sen on oltava painovoiman kvantti, graviton.
Kuten John Schwarz myöhemmin huomautti: “Mutta hämmästyttävä tosiasia ilmeni: säieteorian matematiikka sisälsi väistämättä massattoman spin-2-hiukkasen – gravitonin.”
Se, mikä alkoi hadronien teoriana, oli vahingossa tuottanut kvanttipainovoiman rakennuspalikan.
Säieteorian ytimessä pistehiukkaset korvataan pienillä yksidimensionaalisilla objekteilla: säikeillä.
Säikeet voivat olla avoinna (kaksi päätepistettä) tai suljettuja (silmukoita).
Säikeen eri värähtelymoodit vastaavat eri hiukkasia.
Tämä yksinkertainen muutos – pisteistä säikeisiin – ratkaisee monet kvanttipainovoimaa vaivaavat äärettömyydet. Säikeen rajallinen koko hämärtää vuorovaikutukset, jotka muuten räjähtäisivät nollaetäisyydellä.
Varhaiset säieteorian versiot olivat ongelmallisia: ne sisälsivät takyoneja (epävakauksia) ja vaativat epärealistisia piirteitä. Läpimurto tuli supersymmetrian käyttöönoton myötä, mikä johti superkieliteoriaan 1970- ja 1980-luvuilla.
Superkielit poistivat takyonit, sisälsivät fermionit ja toivat uutta matemaattista johdonmukaisuutta.
Mutta oli yksi ongelma: säieteoria toimii vain korkeammissa ulottuvuuksissa. Tarkemmin sanottuna 10 avaruusajan ulottuvuutta.
Tämä idea, vaikka radikaalilta tuntuukin, ei ollut täysin uusi. 1920-luvulla Kaluza–Klein-teoria oli jo vihjannut, että ylimääräiset ulottuvuudet voisivat yhdistää painovoiman ja sähkömagnetismin. Säieteoria herätti ja laajensi tämän idean valtavasti.
1980-luvun puolivälissä fyysikot huomasivat, että säieteoria ei ollut ainutlaatuinen, vaan sitä oli viisi erilaista versiota:
Jokainen näytti matemaattisesti johdonmukaiselta, mutta miksi luonto valitsisi yhden?
Vuonna 1984 Michael Green ja John Schwarz osoittivat, että säieteoria voi automaattisesti kumota kvanttianomaliat – jotain, mitä kvanttikenttäteorioiden piti huolellisesti suunnitella. Tämä löytö käynnisti ensimmäisen superkielirevoluution, jolloin tuhannet fyysikot kääntyivät säieteorian puoleen kandidaattina kaikkien voimien yhtenäiseksi teoriaksi.
Se oli ensimmäinen vakava kehys, jossa kvanttipainovoima ei ollut vain johdonmukainen vaan väistämätön.
1990-luvun puolivälissä tapahtui toinen vallankumous. Edward Witten ja muut huomasivat, että viisi eri säieteoriaa eivät olleet kilpailijoita, vaan yhden, syvemmän teorian erilaisia rajoja: M-teorian.
M-teorian uskotaan elävän 11 ulottuvuudessa ja sisältävän paitsi säikeitä myös korkeamman ulottuvuuden objekteja, joita kutsutaan braaneiksi (lyhenne sanoista membraanit).
Nämä braanit synnyttivät rikkaita uusia mahdollisuuksia: kokonaiset maailmankaikkeudet voivat olla 3-braaneja, jotka kelluvat korkeamman ulottuvuuden avaruudessa, painovoiman vuotaessa tilavuuteen samalla kun muut voimat pysyvät rajoitettuina. Tämä kuva inspiroi moderneja ylimääräisten ulottuvuuksien malleja, kuten Randall–Sundrum.
Kaluza–Klein (1920-luku): Ehdotti viidettä ylimääräistä ulottuvuutta painovoiman ja sähkömagnetismin yhdistämiseksi. Idea oli hyllytetty vuosikymmenten ajan, mutta säieteoria herätti sen uudelleen suuremmassa muodossa. Tiivistetyt ylimääräiset ulottuvuudet ovat edelleen keskeinen piirre säiemalleissa.
Randall–Sundrum (1999): Ehdotti “vääristyneitä” ylimääräisiä ulottuvuuksia, joissa maailmankaikkeutemme on 3-braani, joka on upotettu korkeampiin ulottuvuuksiin. Painovoima leviää tilavuuteen, selittäen, miksi se on heikompi kuin muut voimat. Tällaiset mallit ennustavat mahdollisia signaaleja hiukkaskiihdyttimissä tai poikkeamia Newtonin laista hyvin lyhyillä etäisyyksillä.
Säieteoria esittää rohkeita väitteitä, mutta niiden testaaminen on äärimmäisen vaikeaa.
Haasteista huolimatta säieteoria on tarjonnut hedelmällistä maaperää matematiikalle, inspiroiden edistystä geometriassa, topologiassa ja dualiteeteissa, kuten AdS/CFT (joka yhdistää painovoiman korkeammissa ulottuvuuksissa kvanttikenttäteoriaan ilman painovoimaa).
Kannattajat väittävät, että säieteoria on lupaavin tie yhtenäiseen teoriaan: se sisältää kvanttipainovoiman, yhdistää kaikki voimat ja selittää, miksi gravitonin on oltava olemassa.
Kriitikot väittävät, että ilman kokeellista vahvistusta säieteoria riskoi irtautua empiirisestä tieteestä. Sen valtava “maisema” mahdollisia ratkaisuja (jopa \(10^{500}\)) tekee yksilöllisten ennusteiden poimimisen vaikeaksi.
Molemmat osapuolet ovat yhtä mieltä yhdestä asiasta: säieteoria on muuttanut tapaamme ajatella fysiikkaa, tarjoten uuden kielen yhdistämiselle.
Jos supersymmetria on seuraava askel Standardimallin ulkopuolelle, säieteoria on askel sen jälkeen: kandidaatti kauan etsittyyn Kaiken teoriaan.
Sen rohkein väite ei ole vain se, että se sisältää Standardimallin ja painovoiman, vaan että nämä ovat värähtelevien säikeiden väistämättömiä seurauksia korkeammissa ulottuvuuksissa. Graviton ei ole lisäosa – se on sisäänrakennettu.
Jää nähtäväksi, onko luonto valinnut tämän polun.
Teoriat ovat fysiikan elinehto, mutta kokeet ovat sen sydämenlyönnit. Supersymmetria, säieteoria ja ylimääräiset ulottuvuudet ovat kauniita matemaattisia rakennelmia, mutta ne elävät tai kuolevat todisteiden perusteella. Jos niiden on tarkoitus olla muutakin kuin spekulaatiota, niiden on jätettävä jälkiä dataan.
Fyysikot ovat kehittäneet nerokkaita tapoja etsiä näitä jälkiä – kiihdyttimissä, kosmoksessa ja itse avaruusajan rakenteessa.
Suuri hadronitörmäytin (LHC) CERNissä on maailman tehokkain hiukkaskiihdytin, joka törmäyttää protoneja jopa 13,6 TeV energioilla (suunnittelu: 14 TeV). Se on ollut ihmiskunnan ensisijainen työkalu fysiikan tutkimiseen Standardimallin ulkopuolella.
Jotkut teoriat ehdottavat, että jos painovoima vahvistuu TeV-skaalassa, pieniä mustia aukkoja voisi muodostua LHC:n törmäyksissä, haihtuen hiukkaspurkauksina. Tällaisia tapahtumia ei ole nähty.
Jos ylimääräisiä ulottuvuuksia on olemassa, Newtonin painovoimalaki voi rikkoutua lyhyillä etäisyyksillä.
Nämä pöytäkokeet ovat huomattavan herkkiä ja tutkivat skaaloja, joihin kiihdyttimet eivät pääse.
Painovoima-aaltojen löytyminen LIGO:n toimesta vuonna 2015 avasi uuden rajan.
Toistaiseksi havainnot ovat yhteneväisiä GR:n kanssa nykyisten epävarmuuksien puitteissa, mutta suurempi tarkkuus voi paljastaa yllätyksiä.
Itse kosmos on lopullinen hiukkaskiihdytin.
Toistaiseksi taivas on hiljainen. Pimeää ainetta ei ole havaittu, ja kosmologiset tiedot sopivat ΛCDM-malliin ilman selkeitä säie jälkiä.
Vuosikymmenten etsintä ei ole vahvistanut SUSY:ä, ylimääräisiä ulottuvuuksia tai säiesignaaleja. Mutta todisteiden puuttuminen ei ole todiste poissaolosta:
Muutamat tarkkuusanomaliat (esim. myonin (g-2)-mittaus ja jotkut makufysiikan jännitteet) ovat edelleen kiehtovia mutta ratkaisemattomia; ne motivoivat jatkuvaa tarkastelua ilman, että ne vielä kaataisivat SM:ää.
Kokeet ovat kaventaneet parametritilaa. Ne ovat kertoneet meille, missä SUSY ei ole, kuinka pieniksi ylimääräisten ulottuvuuksien on oltava ja kuinka vahvasti pimeä aine voi tai ei voi vuorovaikuttaa.
Tulevat kokeet lupaavat sukeltaa syvemmälle:
BSM-fysiikan kokeellinen tarina ei ole epäonnistumisen, vaan prosessin tarina.
Aivan kuten Rutherfordin kultafoliokoe murskasi luumupudding-mallin tai LIGO murskasi epäilyt painovoima-aalloista, seuraava suuri löytö voi tulla äkillisesti – ja muuttaa kaiken.
Vuosisatojen ajan fysiikka on edennyt yhdistämisen kautta. Newton yhdisti taivaat ja maan yhteen gravitaatiolakiin. Maxwell yhdisti sähkön ja magnetismin. Einstein yhdisti avaruuden ja ajan. Elektroheikko teoria osoitti, että kaksi hyvin erilaista voimaa ovat yhden osa-alueita.
Seuraava askel on rohkein tähän mennessä: yhdistää kaikki neljä perusvuorovaikutusta – vahva, heikko, sähkömagneettinen ja gravitaatio – yhdeksi, itsensä kanssa johdonmukaiseksi kehykseksi. Tämä on fysiikan Pyhä Graalin malja: Kaiken teoria (ToE).
Täydellinen yhdistyminen ei ole vain filosofista eleganssia; se käsittelee syviä käytännöllisiä ja käsitteellisiä ongelmia:
ToE ei vain yhdistäisi voimia – se yhdistäisi skaalat, kvantiteorian pienimmistä säikeistä suurimpiin kosmisiin rakenteisiin.
Supersymmetria (SUSY), jos se toteutuu luonnossa, tarjoaa välietapin ToE:hen.
SUSY-inspiroimat GUT:t (kuten SU(5), SO(10) tai E₆) kuvittelevat, että ultrakorkeilla energioilla kvarkit ja leptonit yhdistetään suuremmiksi moninaisuuksiksi ja voimat sulautuvat yhteen gauge-ryhmään.
Mutta SUSY:ä ei ole vielä näkynyt kokeissa. Jos se on olemassa vain skaaloilla, jotka ovat ulottumattomissamme, sen yhdistävä voima voi jäädä houkuttelevaksi mutta piilotetuksi.
Säieteoria menee pidemmälle. Sen sijaan, että paikkaisi Standardimallia, se kirjoittaa perustan uudelleen:
Tässä visiossa yhdistyminen ei ole sattumaa – se on geometriaa. Voimat eroavat, koska säikeet värähtelevät eri tavoin, muotoiltuina ylimääräisten ulottuvuuksien topologialla.
Löytö, että viisi säieteoriaa liittyvät dualiteetteihin, johti M-teoriaan, vieläkin mahtavampaan kehykseen:
M-teoria on vielä epätäydellinen, mutta se edustaa kunnianhimoisinta askelta kohti ToE:ta, jota on koskaan yritetty.
Säieteoria ja M-teoria eivät ole ainoita polkuja. Fyysikot tutkivat useita kehyksiä, joilla kaikilla on erilaisia vahvuuksia:
Vaikka mikään ei vielä kilpaile säieteorian yhdistävän laajuuden kanssa, ne havainnollistavat etsinnän rikkautta.
ToE:n on oltava lopulta testattavissa. Vaikka Planckin skaala on kaukana nykyisten kokeiden ulottuvilla, fyysikot etsivät epäsuoria todisteita:
Toistaiseksi ToE jää ulottumattomiin, mutta jokainen nollatulos karsii mahdollisuuksia.
Todellinen ToE ei vain yhdistäisi fysiikkaa – se yhdistäisi inhimillisen tiedon. Se yhdistää kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian, mikro- ja makromaailman, hiukkasen ja kosmoksen.
Silti se kohtaa paradoksin: skaala, jossa yhdistyminen tapahtuu, voi olla ikuisesti kokeellisen ulottuvuuden ulkopuolella. 100 TeV:n kiihdytin tutkii vain murto-osan matkasta Planckin skaalaan. Meidän on ehkä luotettava kosmologiaan, matemaattiseen johdonmukaisuuteen tai epäsuoriin signaaleihin.
Unelma pysyy elossa kehysten syvän eleganssin vuoksi. Kuten Witten huomautti, säieteoria ei ole vain “joukko yhtälöitä” vaan “uusi kehys fysiikalle”.
ToE:n etsintä ei ole siitä, että julistetaan säieteoria, SUSY tai mikään yksittäinen idea “todeksi”. Kyse on tieteellisestä menetelmästä:
Tarina on kaukana päättymisestä. Mutta juuri tämä avoimuus – kieltäytyminen pitämästä mitään teoriaa pyhänä – tekee fysiikasta elävän tieteen, ei dogman.
Seuraava fysiikan vuosisata voi paljastaa:
Tai ehkä todellinen ToE on jotain, jota kukaan ei ole vielä kuvitellut.
Mutta itse etsintä – halu yhdistää, selittää, nähdä luonto kokonaisuutena – on yhtä paljon osa ihmisyyttä kuin yhtälöt itse.