https://madrid.hostmaster.org/articles/physics_beyond_the_standard_model/ru.html
К 2012 году Стандартная модель (СМ) была теоретически завершена с подтверждением существования бозона Хиггса в Большом адронном коллайдере (LHC) в ЦЕРНе. Все предсказанные частицы были найдены. Ее уравнения с поразительной точностью выдерживали все экспериментальные проверки.
Тем не менее, в физике царила не атмосфера завершенности, а чувство незавершенности. Как законы Ньютона уступили место Эйнштейну, а классическая физика — квантовой механике, Стандартная модель была слишком успешной на тех масштабах, которые мы можем тестировать, но не способна ответить на более глубокие вопросы. Это была почти безупречная карта — но только небольшого участка ландшафта.
Самое очевидное упущение — это гравитация.
Это не просто мелкая недоработка. Общая теория относительности рассматривает гравитацию как искривление пространства-времени, гладкое геометрическое поле, тогда как Стандартная модель рассматривает силы как квантовые поля, опосредованные частицами. Попытки квантовать гравитацию тем же способом приводят к бесконечностям, которые невозможно нормализовать.
Стандартная модель и ОТО — это как две разные операционные системы: блестящие в своих областях, но принципиально несовместимые. Их примирение, возможно, является самой большой задачей современной физики.
Стандартная модель предсказывает, что нейтрино не имеют массы. Но эксперименты, начиная с детектора Super-Kamiokande в Японии (1998) и подтвержденные по всему миру, показали, что нейтрино осциллируют между различными типами (электронным, мюонным, тау). Осцилляции требуют наличия массы.
Это было первое подтвержденное доказательство физики за пределами Стандартной модели. Эта находка принесла Кадзите и Макдональду Нобелевскую премию в 2015 году.
Нейтрино невероятно легкие, по крайней мере, в миллион раз легче электрона. Их масса не объясняется Стандартной моделью — но может указывать на новую физику, такую как механизм качелей, стерильные нейтрино или связи с ранней Вселенной. В некоторых сценариях тяжелые нейтрино качелей делают возможной лептогенезу, при которой в ранней Вселенной возникает асимметрия лептонов, которая позже превращается в наблюдаемую асимметрию материи и антиматерии.
Видимая материя, описанная Стандартной моделью, составляет менее 5% Вселенной. Остальное невидимо.
Теории предлагают новые частицы: WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы), аксионы, стерильные нейтрино или что-то еще более экзотическое. Но несмотря на десятилетия поисков — подземные детекторы, эксперименты на коллайдерах, астрономические наблюдения — темная материя остается неуловимой.
Еще более загадочна темная энергия, сила, которая управляет ускоренным расширением Вселенной.
Эта проблема космологической постоянной, возможно, является самым острым столкновением между квантовой теорией поля и гравитацией. Стандартная модель ничего не говорит о темной энергии. Это огромный пробел в нашем понимании космоса.
Еще одна глубокая загадка кроется в самом бозоне Хиггса.
Измеренная масса Хиггса составляет 125 ГэВ. Но квантовые поправки должны поднять ее к планковскому масштабу (\(10^{19}\) ГэВ), если только не происходят чудесные вычитания. Почему она так мала по сравнению с естественными энергетическими масштабами гравитации?
Это проблема иерархии: Хиггс кажется неестественно тонко настроенным. Физики подозревают новую физику, такую как суперсимметрия (SUSY), которая может стабилизировать массу Хиггса, вводя партнерские частицы, которые отменяют опасные поправки. (Обсуждения естественности включают идеи от динамических решений до антропных рассуждений в возможном “ландшафте” вакуумов.)
Стандартная модель включает некоторое нарушение CP, но его слишком мало, чтобы объяснить, почему современная Вселенная полна материи, а не равными количествами материи и антиматерии. Как упомянуто выше, механизмы, такие как лептогенез (часто связанные с происхождением массы нейтрино через качели), предлагают убедительный путь, при котором физика за пределами Стандартной модели нарушает равновесие.
Стандартную модель иногда называют “самой успешной теорией в физике”. Ее предсказания соответствуют экспериментам с точностью до 10-12 знаков после запятой. Она объясняет почти все, что мы видим в ускорителях частиц и лабораториях.
Но она неполна:
Физики сейчас сталкиваются с знакомым моментом в истории. Как ньютоновская механика уступила место теории относительности, а классическая физика — квантовой механике, Стандартная модель в конечном итоге должна уступить место чему-то более глубокому.
Конечная цель — Великая объединенная теория (GUT) или даже Теория всего (ToE): структура, которая объединяет все четыре силы, объясняет все частицы и работает последовательно от самых малых масштабов (квантовая гравитация) до самых больших (космология).
Это Святой Грааль современной физики. Вот почему исследователи толкают ускорители к более высоким энергиям, строят огромные нейтринные детекторы, составляют карты Вселенной с помощью телескопов и изобретают новую и смелую математику.
Следующие главы исследуют главных кандидатов:
Каждая из этих идей возникла не как догма, а как наука в лучшем виде: замечание трещин, построение новых теорий и их проверка на соответствие реальности.
Физика продвигалась через объединение посредством симметрии. Уравнения Максвелла объединили электричество и магнетизм. Специальная теория относительности объединила пространство и время. Электрослабая теория объединила две из четырех фундаментальных сил. Каждый скачок вперед проистекал из открытия скрытой симметрии в природе.
Суперсимметрия — или SUSY, как физики ласково ее называют — это смелое предложение, что следующая большая симметрия связывает две, казалось бы, разные категории: материю и силы.
В Стандартной модели частицы делятся на две большие семьи:
Фермионы (спин 1/2): включают кварки и лептоны, строительные блоки материи. Их полуцелый спин означает, что они подчиняются принципу запрета Паули: два идентичных фермиона не могут находиться в одном состоянии. Именно поэтому атомы имеют структурированные оболочки, а материя стабильна.
Бозоны (целый спин): включают фотоны, глюоны, W- и Z-бозоны и Хиггс. Бозоны опосредуют силы. В отличие от фермионов, они могут накапливаться в одном состоянии, поэтому существуют лазеры (фотоны) и конденсаты Бозе-Эйнштейна.
Короче: фермионы формируют материю, бозоны переносят силы.
Суперсимметрия предлагает симметрию, которая связывает фермионы и бозоны. Для каждого известного фермиона существует бозонный партнер. Для каждого известного бозона — фермионный партнер.
(“Фотино” и “зино” — старые прозвища для конкретных калибровочных состояний; эксперименты на самом деле ищут массовые состояния, упомянутые выше.)
Почему предлагать такое радикальное удвоение мира частиц? Потому что SUSY предлагает элегантные решения некоторых из самых глубоких проблем, оставленных Стандартной моделью.
Одно из главных достоинств SUSY — это ее способность решать проблему иерархии: почему бозон Хиггса так легок по сравнению с планковским масштабом?
В Стандартной модели квантовые поправки от виртуальных частиц должны поднять массу Хиггса до огромных значений. Суперсимметрия вводит партнерские частицы, которые отменяют эти расхождения. Результат: масса Хиггса естественно стабилизируется без необходимости тонкой настройки (по крайней мере, в “естественных” спектрах SUSY).
Еще одна мотивация для SUSY исходит из объединения сил.
Это предполагает, что на очень высоких энергиях три силы могут объединиться в Великую объединенную теорию (GUT).
Суперсимметрия также предлагает естественного кандидата на темную материю.
Если SUSY верна, одна из партнерских частиц должна быть стабильной и электрически нейтральной. Главный кандидат — легчайший нейтралино, смесь бино, вино и хиггсино.
Нейтралино взаимодействуют только слабо, что соответствует профилю WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы). Если их обнаружат, они могут объяснить 27% недостающей массы Вселенной.
На протяжении десятилетий физики надеялись, что суперсимметричные частицы появятся чуть выше уже исследованных энергетических масштабов.
Отсутствие SUSY на LHC стало разочарованием. Многие из самых простых версий SUSY, такие как “Минимальная суперсимметричная стандартная модель” (MSSM), теперь сильно ограничены. “Естественные” спектры стали тяжелее, что указывает на большую тонкую настройку, если SUSY находится близко к ТэВ-масштабу.
Тем не менее, SUSY не исключена. Более сложные модели предсказывают более тяжелые или более тонкие партнерские частицы, возможно, вне досягаемости LHC, или с взаимодействиями, которые слишком слабы для легкого обнаружения.
Помимо своих феноменологических мотивов, SUSY обладает глубокой математической красотой.
Даже если природа не реализует SUSY на доступных энергетических масштабах, ее математика уже обогатила физику.
Сегодня SUSY находится в странном положении.
Если LHC и его преемники ничего не найдут, SUSY может реализоваться только на масштабах, далеких от нашего охвата — или, возможно, природа выбрала совершенно другой путь.
Суперсимметрия иллюстрирует научный метод в действии.
Физики выявили проблемы: проблему иерархии, объединение, темную материю. Они предложили новую и смелую симметрию, которая решает их все. Они разработали эксперименты для ее проверки. Пока результаты отрицательные — но это не значит, что идея была напрасной. SUSY отточила наши инструменты, прояснила, что мы ищем, и вдохновила поколения исследований.
Как эфир или эпициклы до нее, SUSY может быть шагом к более глубокой истине, независимо от того, станет ли она последним словом.
Физика за пределами Стандартной модели часто движима исправлениями: решение проблемы иерархии, объяснение темной материи, объединение калибровочных взаимодействий. Теория струн отличается. Она начинается не с конкретной загадки. Вместо этого она начинается с математики — и заканчивается переписыванием всей нашей концепции пространства, времени и материи.
Удивительно, но теория струн началась не как теория всего, а как неудачная попытка понять сильное ядерное взаимодействие.
В конце 1960-х годов, до полного развития КХД, физики пытались объяснить зоопарк адронов. Они заметили узоры в данных рассеяния, которые предполагали, что резонансы можно моделировать как колеблющиеся струны.
“Модель двойного резонанса”, предложенная Венециано в 1968 году, описывала сильные взаимодействия так, как будто адроны были возбуждениями маленьких струн. Это была элегантная модель, но она была быстро оставлена, когда КХД стала настоящей теорией сильного взаимодействия.
Тем не менее, теория струн отказалась умирать. В ее уравнениях скрывались замечательные свойства, которые указывали за пределы ядерной физики.
Когда теоретики квантовали колебания струн, они обнаружили, что спектр неизбежно включает безмассовую частицу со спином 2.
Это было потрясающе. Квантовая теория поля показала, что безмассовая частица со спином 2 уникальна: это должен быть квант гравитации, гравитон.
Как позже отметил Джон Шварц: “Но удивительный факт стал очевиден: математика теории струн неизбежно включала безмассовую частицу со спином 2 — гравитон.”
То, что начиналось как теория адронов, случайно создало строительный блок квантовой гравитации.
В основе теории струн точечные частицы заменяются маленькими одномерными объектами: струнами.
Струны могут быть открытыми (с двумя концами) или закрытыми (петлями).
Различные колебательные состояния струны соответствуют разным частицам.
Эта простая смена — от точек к струнам — решает многие бесконечности, которые мучают квантовую гравитацию. Конечный размер струны размазывает взаимодействия, которые иначе взрываются на нулевом расстоянии.
Ранние версии теории струн имели проблемы: они включали тахионы (нестабильности) и требовали нереалистичных свойств. Прорыв произошел с введением суперсимметрии, что в 1970-х и 1980-х годах привело к теории суперструн.
Суперструны устранили тахионы, включили фермионы и принесли новую математическую согласованность.
Но был подвох: теория струн работает только в более высоких измерениях. В частности, 10 пространственно-временных измерений.
Эта идея, хотя и радикальная, не была совсем новой. В 1920-х годах теория Калуцы-Клейна уже предположила, что дополнительные измерения могут объединить гравитацию и электромагнетизм. Теория струн возродила эту идею и значительно расширила ее.
К середине 1980-х годов физики обнаружили, что теория струн не уникальна, а существует в пяти различных версиях:
Каждая казалась математически согласованной, но почему природа должна выбрать одну?
В 1984 году Майкл Грин и Джон Шварц показали, что теория струн может автоматически устранять квантовые аномалии — то, что квантовые теории поля должны были тщательно проектировать. Это открытие вызвало первую революцию суперструн, когда тысячи физиков обратились к теории струн как к кандидату на объединенную теорию всех сил.
Это был первый серьезный фреймворк, в котором квантовая гравитация была не только согласованной, но и неизбежной.
В середине 1990-х годов произошла вторая революция. Эдвард Виттен и другие обнаружили, что пять различных теорий струн не были конкурентами, а представляли разные пределы одной более глубокой теории: M-теории.
Считается, что M-теория существует в 11 измерениях и включает не только струны, но и объекты в более высоких измерениях, называемые бранами (сокращение от мембран).
Эти браны открыли новые и богатые возможности: целые вселенные могли существовать как трехмерные браны, плавающие в более высокомерном объеме, где гравитация просачивается в объем, тогда как другие силы остаются привязанными. Эта картина вдохновила современные модели дополнительных измерений, такие как Рэндалл-Сандрам.
Калуца-Клейн (1920-е): Предложила пятое измерение для объединения гравитации и электромагнетизма. Идея была заброшена на десятилетия, но теория струн возродила ее в гораздо большем масштабе. Компактифицированные дополнительные измерения остаются ключевой особенностью струнных моделей.
Рэндалл-Сандрам (1999): Предложила “искривленные” дополнительные измерения, где наша Вселенная — трехмерная брана, встроенная в более высокие измерения. Гравитация распространяется в объем, что объясняет, почему она слабее других сил. Такие модели предсказывают возможные сигналы в ускорителях частиц или отклонения от закона Ньютона на очень коротких расстояниях.
Теория струн делает смелые утверждения, но их проверка невероятно сложна.
Несмотря на вызовы, теория струн обеспечила плодородную почву для математики, вдохновляя прогресс в геометрии, топологии и дуальностях, таких как AdS/CFT (связывающая гравитацию в более высоких измерениях с квантовой теорией поля без гравитации).
Сторонники утверждают, что теория струн — это наиболее многообещающий путь к объединенной теории: она включает квантовую гравитацию, объединяет все силы и объясняет, почему гравитон должен существовать.
Критики утверждают, что без экспериментального подтверждения теория струн рискует оторваться от эмпирической науки. Ее огромный “ландшафт” возможных решений (до \(10^{500}\)) затрудняет получение уникальных предсказаний.
Обе стороны согласны в одном: теория струн изменила наше мышление о физике и дала новый язык для объединения.
Если суперсимметрия — это следующий шаг за пределами Стандартной модели, то теория струн — следующий шаг: кандидат на долгожданную Теорию всего.
Ее самое смелое утверждение не в том, что она включает только Стандартную модель и гравитацию, а в том, что это неизбежные последствия вибрирующих струн в более высоких измерениях. Гравитон — это не дополнение, он встроен.
Выбрала ли природа этот путь, еще предстоит выяснить.
Теории — это жизненная кровь физики, но эксперименты — ее бьющееся сердце. Суперсимметрия, теория струн и дополнительные измерения — это прекрасные математические конструкции, но они живут или умирают с доказательствами. Если они хотят быть чем-то большим, чем спекуляции, они должны оставить следы в данных.
Физики разработали умные способы поиска этих следов — в ускорителях, в космосе и в самой структуре пространства-времени.
Большой адронный коллайдер (LHC) в ЦЕРНе — самый мощный ускоритель частиц в мире, сталкивающий протоны на энергиях до 13,6 ТэВ (проект: 14 ТэВ). Это был главный инструмент человечества для исследования физики за пределами Стандартной модели.
Некоторые теории предполагают, что если гравитация становится сильной на ТэВ-масштабе, в столкновениях LHC могут образоваться крошечные черные дыры, испаряющиеся в вспышках частиц. Такие события не наблюдались.
Если дополнительные измерения существуют, закон гравитации Ньютона может нарушаться на коротких расстояниях.
Эти настольные эксперименты невероятно чувствительны и исследуют масштабы, недоступные для ускорителей.
Открытие гравитационных волн LIGO в 2015 году открыло новую границу.
На данный момент наблюдения соответствуют ОТО в пределах текущих неопределенностей, но более высокая точность может принести сюрпризы.
Сама Вселенная — это конечный ускоритель частиц.
Пока небо молчит. Темная материя остается необнаруженной, а космологические данные соответствуют модели ΛCDM без явных отпечатков струн.
Десятилетия поисков не подтвердили SUSY, дополнительные измерения или струнные сигналы. Но отсутствие доказательств не является доказательством отсутствия:
Некоторые точные аномалии (например, измерение (g-2) мюона и некоторые напряжения в физике ароматов) остаются интригующими, но неразрешенными; они продолжают стимулировать исследования, не опрокидывая Стандартную модель пока что.
Эксперименты сужают пространство параметров. Они сказали нам, где SUSY нет, насколько малы должны быть дополнительные измерения и как сильно или слабо может взаимодействовать темная материя.
Будущие эксперименты обещают более глубокое исследование:
Экспериментальная история физики за пределами Стандартной модели — это не история неудач, а история процесса.
Как эксперимент Резерфорда с золотой фольгой разрушил модель сливового пудинга, или LIGO устранил сомнения в гравитационных волнах, следующее великое открытие может прийти внезапно — и изменить все.
На протяжении веков физика продвигалась через объединение. Ньютон объединил небо и землю под одним законом гравитации. Максвелл объединил электричество и магнетизм. Эйнштейн объединил пространство и время. Электрослабая теория показала, что две очень разные силы — это аспекты одной силы.
Следующий естественный шаг — самый смелый на сегодняшний день: объединение всех четырех фундаментальных взаимодействий — сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного — в одной последовательной структуре. Это Святой Грааль физики: Теория всего (ToE).
Полное объединение — это не только философская красота; оно решает практические и концептуальные глубокие проблемы:
ToE объединяет не только силы — она объединяет масштабы, от мельчайших струн квантовой теории до крупнейших космических структур.
Суперсимметрия (SUSY), если она реализована в природе, предлагает шаг к ToE.
GUT, вдохновленные SUSY (такие как SU(5), SO(10) или E₆), предполагают, что на чрезвычайно высоких энергиях кварки и лептоны сливаются в более крупные мультиплеты, а силы объединяются в одну калибровочную группу.
Но SUSY еще не появилась в экспериментах. Если она существует только на масштабах вне нашего охвата, ее объединяющая сила может оставаться соблазнительной, но скрытой.
Теория струн идет дальше. Вместо того чтобы чинить Стандартную модель, она переписывает основы:
В этой концепции объединение — это не случайность, а геометрия. Силы различаются, потому что струны вибрируют по-разному, формируемые топологией дополнительных измерений.
Открытие, что пять теорий струн связаны дуальностями, привело к M-теории, еще более крупной структуре:
M-теория все еще не завершена, но это самый смелый шаг к ToE, который когда-либо предпринимался.
Теория струн и M-теория — не единственные пути. Физики исследуют несколько структур, каждая с разными сильными сторонами:
Хотя ни одна из них пока не конкурирует с объединяющим размахом теории струн, они иллюстрируют богатство поисков.
ToE в конечном итоге должна быть тестируемой. Хотя планковский масштаб далеко за пределами текущих экспериментов, физики ищут косвенные доказательства:
Пока ToE остается вне досягаемости, но каждый отрицательный результат сужает возможности.
Настоящая ToE объединяет не только физику — она объединяет человеческое знание. Она связывает квантовую механику и теорию относительности, микро и макро, частицу и космос.
Но она сталкивается с парадоксом: масштаб, на котором происходит объединение, может быть навсегда вне экспериментального охвата. Ускоритель на 100 ТэВ исследует лишь часть пути к планковскому масштабу. Нам, возможно, придется полагаться на космологию, математическую согласованность или косвенные сигналы.
Мечта живет благодаря глубокой красоте структур. Как отметил Виттен, теория струн — это не просто “набор уравнений”, а “новая структура для физики”.
Поиск ToE — это не о том, чтобы объявить теорию струн, SUSY или какую-либо идею “истиной”. Это о научном методе:
История еще не закончена. Но именно эта открытость — отказ считать любую теорию священной — делает физику живой наукой, а не догмой.
Физика следующего века может раскрыть:
Или, возможно, настоящая ToE — это нечто, что еще никто не вообразил.
Но сам поиск — стремление к объединению, объяснению, видению природы как целого — это столько же часть человечества, сколько сами уравнения.