https://madrid.hostmaster.org/articles/physics_beyond_the_standard_model/pl.html
W 2012 roku, gdy bozon Higgsa został potwierdzony w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN, Model Standardowy (SM) był teoretycznie kompletny. Każda przewidywana cząstka została odkryta. Jego równania przeszły wszystkie testy eksperymentalne z zadziwiającą precyzją.
Jednak atmosfera w fizyce nie była zamknięciem, lecz poczuciem niekompletności. Podobnie jak prawa Newtona przed Einsteinem czy fizyka klasyczna przed mechaniką kwantową, Model Standardowy był zbyt skuteczny w skalach, które możemy testować, ale niezdolny do odpowiedzi na głębsze pytania. To niemal idealna mapa – ale tylko małej części krajobrazu.
Najbardziej oczywistym brakiem jest grawitacja.
To nie jest zwykłe przeoczenie. Ogólna teoria względności traktuje grawitację jako krzywiznę czasoprzestrzeni, gładkie pole geometryczne, podczas gdy SM traktuje siły jako pola kwantowe mediowane przez cząstki. Próby kwantyzacji grawitacji w ten sam sposób napotykają nieskończoności, których nie można znormalizować.
Model Standardowy i GR są jak dwa różne systemy operacyjne – znakomite w swoich dziedzinach, ale fundamentalnie niekompatybilne. Połączenie ich jest być może największym wyzwaniem współczesnej fizyki.
SM przewiduje, że neutrina nie mają masy. Jednak eksperymenty, począwszy od detektora Super-Kamiokande w Japonii (1998) i potwierdzone na całym świecie, wykazały, że neutrina oscylują między różnymi smakami (elektronowym, mionowym, tau). Oscylacje wymagają masy.
To był pierwszy potwierdzony dowód na fizykę poza Modelem Standardowym. Odkrycie to przyniosło Nagrodę Nobla w 2015 roku Kajicie i McDonaldowi.
Neutrina są niezwykle lekkie, co najmniej milion razy lżejsze od elektronu. Ich masy nie są wyjaśnione przez SM – ale mogą wskazywać na nową fizykę, taką jak mechanizm seesaw, neutrina sterylne lub powiązania z wczesnym wszechświatem. W niektórych scenariuszach ciężkie neutrina seesaw umożliwiają leptogenezę, gdzie we wczesnym wszechświecie powstaje asymetria leptonów, która następnie przekształca się w obserwowaną asymetrię materia-antymateria.
Widzialna materia opisana przez SM stanowi mniej niż 5% wszechświata. Reszta jest niewidzialna.
Teorie proponują nowe cząstki: WIMP (słabo oddziałujące masywne cząstki), aksjony, neutrina sterylne lub coś jeszcze dziwniejszego. Jednak pomimo dekad poszukiwań – podziemnych detektorów, eksperymentów zderzeniowych, badań astrofizycznych – ciemna materia pozostaje nieuchwytna.
Jeszcze bardziej tajemnicza jest ciemna energia, siła napędzająca przyspieszoną ekspansję wszechświata.
Ten problem stałej kosmologicznej jest prawdopodobnie najostrzejszym konfliktem między teorią pól kwantowych a grawitacją. Model Standardowy nie ma nic do powiedzenia na temat ciemnej energii. To ogromna luka w naszym zrozumieniu kosmosu.
Kolejna głęboka zagadka dotyczy samego bozonu Higgsa.
Masa Higgsa jest mierzona na poziomie 125 GeV. Jednak korekty kwantowe powinny pchnąć ją w stronę skali Plancka (\(10^{19}\) GeV), chyba że wystąpią cudowne znoszenia. Dlaczego jest tak lekka w porównaniu do naturalnych skal energii grawitacji?
To problem hierarchii: Higgs wydaje się być anomalnie precyzyjnie dostrojony. Fizycy podejrzewają nową fizykę, taką jak supersymetria (SUSY), która może stabilizować masę Higgsa, wprowadzając cząstki partnerskie, które znoszą niebezpieczne korekty. (Debaty na temat naturalności obejmują pomysły od dynamicznych rozwiązań po rozumowanie antropiczne w możliwym „krajobrazie” próżni.)
SM uwzględnia pewne naruszenie symetrii CP, ale za mało, by wyjaśnić, dlaczego obecny wszechświat jest pełen materii, a nie równych ilości materii i antymaterii. Jak wspomniano powyżej, mechanizmy takie jak leptogeneza (często związane z pochodzeniem mas neutrin typu seesaw) oferują przekonującą ścieżkę, w której fizyka poza SM przechyla szalę.
Model Standardowy jest czasem nazywany „najbardziej udaną teorią w fizyce”. Jego przewidywania zgadzają się z eksperymentami do 10-12 miejsc po przecinku. Wyjaśnia niemal wszystko, co widzimy w akceleratorach cząstek i laboratoriach.
Ale jest niekompletny:
Fizycy stoją teraz przed znajomym momentem w historii. Tak jak mechanika Newtona ustąpiła miejsca teorii względności, a fizyka klasyczna mechanice kwantowej, Model Standardowy musi ostatecznie ustąpić miejsca czemuś głębszemu.
Ostatecznym celem jest Wielka Teoria Unifikacji (GUT) lub nawet Teoria Wszystkiego (ToE): ramy, które łączą cztery siły, wyjaśniają wszystkie cząstki i działają spójnie od najmniejszych skal (grawitacja kwantowa) po największe (kosmologia).
To Święty Graal współczesnej fizyki. Dlatego badacze przesuwają akceleratory na wyższe energie, budują masywne detektory neutrin, mapują kosmos za pomocą teleskopów i wymyślają odważne nowe matematyki.
Kolejne rozdziały omówią główne kandydatki:
Każdy z tych pomysłów nie narodził się jako dogmat, lecz jako nauka w najlepszym wydaniu: zauważanie pęknięć, budowanie nowych teorii i testowanie ich w konfrontacji z rzeczywistością.
Fizyka ma długą historię unifikacji poprzez symetrię. Równania Maxwella połączyły elektryczność i magnetyzm. Szczególna teoria względności połączyła przestrzeń i czas. Teoria elektrosłaba połączyła dwie z czterech sił fundamentalnych. Każdy postęp wynikał z odkrycia ukrytej symetrii w naturze.
Supersymetria – lub SUSY, jak pieszczotliwie nazywają ją fizycy – to śmiała propozycja, że kolejna wielka symetria łączy dwie pozornie różne kategorie cząstek: materię i siły.
W Modelu Standardowym cząstki dzielą się na dwie główne rodziny:
Fermiony (spin 1/2): Obejmują kwarki i leptony, budulce materii. Ich półcałkowity spin oznacza, że podlegają zasadzie wykluczenia Pauliego: dwa identyczne fermiony nie mogą zajmować tego samego stanu. To wyjaśnia, dlaczego atomy mają strukturalne powłoki i dlaczego materia jest stabilna.
Bozony (całkowity spin): Obejmują fotony, gluony, bozony W i Z oraz Higgsa. Bozony pośredniczą w siłach. W przeciwieństwie do fermionów, mogą gromadzić się w tym samym stanie, co wyjaśnia istnienie laserów (fotonów) i kondensatów Bosego–Einsteina.
Krótko mówiąc: fermiony tworzą materię, bozony przenoszą siły.
Supersymetria proponuje symetrię łączącą fermiony i bozony. Dla każdego znanego fermionu istnieje bozonowy partner. Dla każdego znanego bozonu – fermionowy partner.
(„Fotino” i „zino” to starsze pseudonimy dla stanów własnych gauge; eksperymenty poszukują w rzeczywistości wspomnianych powyżej stanów własnych masy.)
Dlaczego proponować tak radykalne podwojenie świata cząstek? Ponieważ SUSY obiecuje eleganckie rozwiązania dla niektórych najgłębszych problemów pozostawionych przez Model Standardowy.
Jednym z największych atutów SUSY jest jej zdolność do rozwiązania problemu hierarchii: dlaczego bozon Higgsa jest tak lekki w porównaniu do skali Plancka.
W Modelu Standardowym korekty kwantowe od cząstek wirtualnych powinny pchnąć masę Higgsa w stronę ogromnych wartości. Supersymetria wprowadza spartykuły, których wkłady znoszą te rozbieżności. Rezultat: masa Higgsa jest naturalnie stabilizowana, bez konieczności precyzyjnego dostrajania (przynajmniej w „naturalnych” widmach SUSY).
Kolejna motywacja dla SUSY pochodzi z unifikacji sił.
To sugeruje, że przy ekstremalnie wysokich energiach trzy siły mogą połączyć się w jedną Wielką Teorię Unifikacji (GUT).
Supersymetria dostarcza również naturalnego kandydata na ciemną materię.
Jeśli SUSY jest poprawna, jedna ze spartykuł powinna być stabilna i elektrycznie neutralna. Głównym kandydatem jest najlżejszy neutralino, mieszanka bino, wino i higgsino.
Neutraliny oddziałują tylko słabo, pasując do profilu WIMP (słabo oddziałujących masywnych cząstek). Jeśli zostaną odkryte, mogą wyjaśnić brakujące 27% materii wszechświata.
Przez dekady fizycy mieli nadzieję, że cząstki supersymetryczne pojawią się tuż powyżej już zbadanych skal energii.
Brak odkryć SUSY w LHC był rozczarowujący. Wiele najprostszych wersji SUSY, takich jak „Minimalny Supersymetryczny Model Standardowy” (MSSM), jest teraz mocno ograniczonych. „Naturalne” widma są przesunięte w stronę wyższych mas, co implikuje więcej precyzyjnego dostrajania, jeśli SUSY istnieje blisko skali TeV.
Jednak SUSY nie została wykluczona. Bardziej złożone modele przewidują cięższe lub bardziej subtelne spartykuły, być może poza zasięgiem LHC, lub z oddziaływaniami zbyt słabymi, by łatwo je wykryć.
Poza motywacjami fenomenologicznymi, SUSY ma głęboką elegancję matematyczną.
Nawet jeśli natura nie realizuje SUSY przy dostępnych energiach, jej matematyka już wzbogaciła fizykę.
Dziś SUSY zajmuje dziwną pozycję.
Jeśli LHC i jego następcy nic nie znajdą, SUSY może być realizowana tylko w skalach energii znacznie poza naszym zasięgiem – lub być może natura wybrała zupełnie inną drogę.
Supersymetria ilustruje metodę naukową w działaniu.
Fizycy zidentyfikowali problemy: problem hierarchii, unifikację, ciemną materię. Zaproponowali nową, odważną symetrię, która rozwiązuje je wszystkie. Zaprojektowali eksperymenty, aby ją przetestować. Jak dotąd wyniki są negatywne – ale to nie oznacza, że pomysł był daremny. SUSY udoskonaliła nasze narzędzia, wyjaśniła, czego szukamy, i kierowała całymi pokoleniami badań.
Podobnie jak eter czy epicykle przed nią, SUSY może okazać się trampoliną do głębszej prawdy, niezależnie od tego, czy przetrwa jako ostateczne słowo, czy nie.
Fizyka poza Modelem Standardowym jest często motywowana poprawkami: rozwiązaniem problemu hierarchii, wyjaśnieniem ciemnej materii, unifikacją sprzężeń gauge. Teoria strun jest inna. Nie zaczyna się od konkretnej zagadki. Zaczyna się od matematyki – i kończy na przeformułowaniu całej naszej koncepcji przestrzeni, czasu i materii.
Zaskakująco, teoria strun nie zaczęła się jako teoria wszystkiego, lecz jako nieudana próba zrozumienia silnej siły jądrowej.
Pod koniec lat 60., zanim QCD została w pełni rozwinięta, fizycy próbowali wyjaśnić zoo hadronów. Zauważyli wzorce w danych rozpraszania, które sugerowały, że rezonanse można modelować za pomocą wibrujących strun.
„Model rezonansu dualnego”, wprowadzony przez Veneziano w 1968 roku, opisywał silne oddziaływania, jakby hadrony były wzbudzeniami maleńkich strun. Był elegancki, ale szybko porzucony, gdy QCD wyłoniła się jako prawdziwa teoria siły silnej.
Jednak teoria strun nie chciała umrzeć. Ukryte w jej równaniach były niezwykłe cechy, które wydawały się wskazywać daleko poza fizykę jądrową.
Gdy teoretycy skwantowali wibracje strun, odkryli, że widmo nieuchronnie zawiera cząstkę bezmasową o spinie 2.
To było szokujące. Teoria pól kwantowych pokazała, że cząstka bezmasowa o spinie 2 jest unikalna: musi być kwantem grawitacji, grawitonem.
Jak później zauważył John Schwarz: „Ale pojawił się zaskakujący fakt: matematyka teorii strun nieuchronnie zawierała cząstkę bezmasową o spinie 2 – grawiton.”
To, co zaczęło się jako teoria hadronów, przypadkowo stworzyło budulec kwantowej grawitacji.
W sercu teorii strun cząstki punktowe są zastąpione maleńkimi jednowymiarowymi obiektami: strunami.
Struny mogą być otwarte (z dwoma końcami) lub zamknięte (pętle).
Różne tryby wibracji struny odpowiadają różnym cząstkom.
Ta prosta zmiana – z punktów na struny – rozwiązuje wiele nieskończoności, które nękają kwantową grawitację. Ograniczony rozmiar struny rozmywa interakcje, które w przeciwnym razie eksplodowałyby w zerowej odległości.
Wczesne wersje teorii strun miały problemy: zawierały tachiony (niestabilności) i wymagały nierealistycznych cech. Przełomem było wprowadzenie supersymetrii, prowadzące do teorii superstrun w latach 70. i 80.
Superstruny wyeliminowały tachiony, włączyły fermiony i przyniosły nową spójność matematyczną.
Ale był haczyk: teoria strun działa tylko w wyższych wymiarach. Konkretnie, 10 wymiarów czasoprzestrzeni.
Ta idea, choć wydaje się radykalna, nie była zupełnie nowa. W latach 20. teoria Kaluzy–Kleina zasugerowała, że dodatkowe wymiary mogą unifikować grawitację i elektromagnetyzm. Teoria strun ożywiła i znacznie rozwinęła tę ideę.
W połowie lat 80. fizycy odkryli, że teoria strun nie jest jednolita, lecz występuje w pięciu różnych wersjach:
Każda wydawała się matematycznie spójna, ale dlaczego natura miałaby wybrać jedną?
W 1984 roku Michael Green i John Schwarz pokazali, że teoria strun może automatycznie znosić anomalie kwantowe – coś, co teorie pól kwantowych musiały starannie zaprojektować. To odkrycie wywołało pierwszą rewolucję superstrun, gdy tysiące fizyków zwróciło się ku teorii strun jako kandydatce na teorię unifikującą wszystkie siły.
Były to pierwsze poważne ramy, w których kwantowa grawitacja była nie tylko spójna, ale nieuchronna.
W połowie lat 90. miała miejsce druga rewolucja. Edward Witten i inni odkryli, że pięć różnych teorii strun nie było rywalami, lecz różnymi limitami jednej, głębszej teorii: teorii M.
Uważa się, że teoria M istnieje w 11 wymiarach i obejmuje nie tylko struny, ale także obiekty o wyższych wymiarach zwane branami (skrót od membran).
Te brany dały początek nowym, bogatym możliwościom: całe wszechświaty mogłyby istnieć jako 3-brany unoszące się w przestrzeni o wyższym wymiarze, z grawitacją rozprzestrzeniającą się w objętości, podczas gdy inne siły pozostają ograniczone. Ten obraz zainspirował współczesne modele dodatkowych wymiarów, takie jak Randall–Sundrum.
Kaluza–Klein (lata 20.): Zaproponował piąty dodatkowy wymiar, aby unifikować grawitację i elektromagnetyzm. Pomysł ten był odłożony na półkę przez dekady, ale teoria strun ożywiła go w bardziej okazałej formie. Skomprymowane dodatkowe wymiary pozostają centralną cechą modeli strun.
Randall–Sundrum (1999): Zaproponował „zakrzywione” dodatkowe wymiary, w których nasz wszechświat jest 3-braną osadzoną w wyższych wymiarach. Grawitacja rozprzestrzenia się w objętości, wyjaśniając, dlaczego jest słabsza od innych sił. Takie modele przewidują możliwe sygnały w zderzaczach cząstek lub odchylenia od prawa Newtona na bardzo krótkich odległościach.
Teoria strun stawia śmiałe twierdzenia, ale ich przetestowanie jest niezwykle trudne.
Pomimo wyzwań, teoria strun dostarczyła żyznego gruntu dla matematyki, inspirując postępy w geometrii, topologii i dualnościach, takich jak AdS/CFT (która łączy grawitację w wyższych wymiarach z teorią pól kwantowych bez grawitacji).
Zwolennicy twierdzą, że teoria strun jest najbardziej obiecującą drogą do teorii unifikacyjnej: obejmuje kwantową grawitację, unifikuje wszystkie siły i wyjaśnia, dlaczego grawiton musi istnieć.
Krytycy argumentują, że bez potwierdzenia eksperymentalnego teoria strun ryzykuje oderwanie od nauki empirycznej. Jej ogromny „krajobraz” możliwych rozwiązań (do \(10^{500}\)) utrudnia uzyskanie jednoznacznych przewidywań.
Obie strony zgadzają się w jednym: teoria strun zmieniła sposób, w jaki myślimy o fizyce, oferując nowy język dla unifikacji.
Jeśli supersymetria jest kolejnym krokiem poza Modelem Standardowym, teoria strun jest krokiem następnym: kandydatką na długo poszukiwaną Teorię Wszystkiego.
Jej najśmielsze twierdzenie nie polega tylko na tym, że obejmuje Model Standardowy i grawitację, ale że są one nieuchronnymi konsekwencjami wibrujących strun w wyższych wymiarach. Grawiton nie jest dodatkiem – jest wbudowany.
To, czy natura wybrała tę ścieżkę, pozostaje do odkrycia.
Teorie są siłą napędową fizyki, ale eksperymenty są jej pulsem. Supersymetria, teoria strun i dodatkowe wymiary to piękne konstrukcje matematyczne, ale żyją lub umierają na podstawie dowodów. Jeśli mają być czymś więcej niż spekulacjami, muszą pozostawić ślady w danych.
Fizycy opracowali sprytne sposoby poszukiwania tych śladów – w zderzaczach, w kosmosie i w samej strukturze czasoprzestrzeni.
Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN jest najpotężniejszym akceleratorem cząstek na świecie, zderzającym protony przy energiach do 13,6 TeV (projekt: 14 TeV). Był głównym narzędziem ludzkości do badania fizyki poza Modelem Standardowym.
Niektóre teorie sugerują, że jeśli grawitacja staje się silna w skali TeV, w zderzeniach LHC mogłyby powstawać maleńkie czarne dziury, które wyparowują w wybuchach cząstek. Nie zaobserwowano takich zdarzeń.
Jeśli istnieją dodatkowe wymiary, prawo grawitacji Newtona może załamać się na krótkich odległościach.
Te eksperymenty stołowe są niezwykle czułe, badając skale niedostępne dla zderzaczy.
Odkrycie fal grawitacyjnych przez LIGO w 2015 roku otworzyło nową granicę.
Jak dotąd obserwacje są zgodne z GR w granicach obecnych niepewności, ale większa precyzja może ujawnić niespodzianki.
Sam kosmos jest ostatecznym akceleratorem cząstek.
Jak dotąd niebo milczy. Ciemna materia pozostaje niewykryta, a dane kosmologiczne pasują do modelu ΛCDM bez wyraźnych śladów strun.
Dekady poszukiwań nie potwierdziły SUSY, dodatkowych wymiarów ani sygnałów strun. Ale brak dowodów nie jest dowodem na brak:
Niektóre anomalie precyzyjne (np. pomiar (g-2) mionu i pewne napięcia w fizyce smaków) pozostają intrygujące, ale nierozwiązane; motywują dalsze badania, ale jeszcze nie obalają SM.
Eksperymenty ograniczyły przestrzeń parametrów. Powiedziały nam, gdzie SUSY nie istnieje, jak małe muszą być dodatkowe wymiary i jak mocno lub słabo może oddziaływać ciemna materia.
Przyszłe eksperymenty obiecują głębsze badania:
Eksperymentalna historia fizyki poza Modelem Standardowym nie jest opowieścią o porażce, lecz o procesie.
Podobnie jak eksperyment Rutherforda z folią złotą obalił model śliwkowego puddingu, czy LIGO rozwiało wątpliwości co do fal grawitacyjnych, kolejne wielkie odkrycie może nadejść nagle – i zmienić wszystko.
Przez wieki fizyka rozwijała się poprzez unifikację. Newton połączył niebo i Ziemię pod jednym prawem grawitacji. Maxwell połączył elektryczność i magnetyzm. Einstein połączył przestrzeń i czas. Teoria elektrosłaba pokazała, że dwie bardzo różne siły są aspektami jednej.
Kolejny krok jest jak dotąd najśmielszy: połączenie czterech fundamentalnych oddziaływań – silnego, słabego, elektromagnetycznego i grawitacyjnego – w jedną, spójną ramę. To Święty Graal fizyki: Teoria Wszystkiego (ToE).
Pełna unifikacja to nie tylko filozoficzna elegancja; rozwiązuje głębokie problemy praktyczne i koncepcyjne:
ToE nie tylko zjednoczyłaby siły – zjednoczyłaby skale, od najmniejszych strun teorii kwantowej po największe struktury kosmiczne.
Supersymetria (SUSY), jeśli zrealizowana w naturze, zapewnia trampolinę do ToE.
GUT inspirowane SUSY (takie jak SU(5), SO(10) lub E₆) wyobrażają sobie, że przy ultra-wysokich energiach kwarki i leptony łączą się w większe multiplets, a siły łączą się w jedną grupę gauge.
Ale SUSY jeszcze nie pojawiła się w eksperymentach. Jeśli istnieje tylko w skalach poza naszym zasięgiem, jej moc unifikacyjna może pozostać kusząca, lecz ukryta.
Teoria strun idzie dalej. Zamiast łatać Model Standardowy, przepisuje fundamenty:
W tej wizji unifikacja nie jest przypadkiem – to geometria. Siły różnią się, ponieważ struny wibrują na różne sposoby, kształtowane przez topologię dodatkowych wymiarów.
Odkrycie, że pięć teorii strun jest połączonych przez dualności, doprowadziło do teorii M, jeszcze bardziej okazałej ramy:
Teoria M jest wciąż niekompletna, ale reprezentuje najbardziej ambitny krok, jaki kiedykolwiek podjęto w stronę ToE.
Teoria strun i teoria M nie są jedynymi ścieżkami. Fizycy badają wiele ram, każda z różnymi mocnymi stronami:
Chociaż żadna z nich nie dorównuje jeszcze unifikacyjnemu zasięgowi teorii strun, ilustrują bogactwo poszukiwań.
ToE musi ostatecznie być testowalna. Chociaż skala Plancka jest daleko poza obecnymi eksperymentami, fizycy poszukują pośrednich dowodów:
Jak dotąd ToE pozostaje poza zasięgiem, ale każdy zerowy wynik przycina możliwości.
Prawdziwa ToE nie tylko zjednoczyłaby fizykę – zjednoczyłaby ludzką wiedzę. Połączyłaby mechanikę kwantową i teorię względności, mikro i makro, cząstkę i kosmos.
Jednak napotyka paradoks: sama skala, w której zachodzi unifikacja, może być na zawsze poza zasięgiem eksperymentalnym. Zderzacz 100 TeV bada tylko ułamek drogi do skali Plancka. Możemy być zmuszeni polegać na kosmologii, spójności matematycznej lub pośrednich sygnaturach.
Marzenie pozostaje żywe dzięki głębokiej elegancji ram. Jak zauważył Witten, teoria strun to nie tylko „zbiór równań”, ale „nowa rama dla fizyki”.
Poszukiwanie ToE nie polega na ogłaszaniu teorii strun, SUSY czy jakiejkolwiek pojedynczej idei jako „prawdziwej”. Chodzi o metodę naukową:
Historia jest daleka od zakończenia. Ale to właśnie ta otwartość – odmowa traktowania jakiejkolwiek teorii jako świętej – sprawia, że fizyka jest żywą nauką, a nie dogmatem.
Kolejne stulecie fizyki może ujawnić:
Albo być może prawdziwa ToE to coś, czego nikt jeszcze nie wyobraził.
Ale samo poszukiwanie – pragnienie unifikacji, wyjaśnienia, zobaczenia natury w całości – jest tak samo częścią człowieczeństwa, jak same równania.