https://madrid.hostmaster.org/articles/physics_beyond_the_standard_model/sv.html
År 2012, när Higgs-bosonen bekräftades vid CERN:s Large Hadron Collider (LHC), var standardmodellen (SM) teoretiskt sett komplett. Varje förutsagd partikel hade upptäckts. Dess ekvationer hade klarat varje experimentellt test med enastående precision.
Ändå var stämningen inom fysiken inte en av avslut, utan av ofullständighet. Precis som Newtons lagar före Einstein eller klassisk fysik före kvantmekanik, var standardmodellen alltför framgångsrik i de skalor vi kan testa, men oförmögen att besvara djupare frågor. Det var en nästintill perfekt karta – men bara över en liten del av landskapet.
Den mest uppenbara bristen är gravitationen.
Detta är mer än ett enkelt förbiseende. Allmän relativitetsteori behandlar gravitation som en krökning av rumtiden, ett smidigt geometriskt fält, medan SM behandlar krafter som kvantfält medierade av partiklar. Försök att kvantisera gravitation på samma sätt genererar oändligheter som inte kan normaliseras.
Standardmodellen och GR är som två olika operativsystem – briljanta inom sina respektive domäner, men fundamentalt inkompatibla. Att förena dem är kanske den största utmaningen inom modern fysik.
SM förutsäger att neutriner saknar massa. Men experiment, som började med Super-Kamiokande-detektorn i Japan (1998) och bekräftades globalt, har visat att neutriner oscillerar mellan olika smaker (elektron, myon, tau). Oscillationer kräver massa.
Detta var det första bekräftade beviset på fysik bortom standardmodellen. Upptäckten gav Kajita och McDonald Nobelpriset 2015.
Neutriner är extremt lätta, minst en miljon gånger lättare än elektronen. Deras massor förklaras inte av SM – men de kan antyda ny fysik, såsom seesaw-mekanismen, sterila neutriner eller kopplingar till det tidiga universum. I vissa scenarier möjliggör tunga seesaw-neutriner leptogenes, där en asymmetri av leptoner skapas i det tidiga universum, som sedan omvandlas till den observerade asymmetrin mellan materia och antimateria.
Den synliga materian som beskrivs av SM utgör mindre än 5 % av universum. Resten är osynlig.
Teorier föreslår nya partiklar: WIMP (svagt interagerande massiva partiklar), axioner, sterila neutriner eller något ännu märkligare. Men trots decennier av sökande – underjordiska detektorer, kollisionsexperiment, astrofysiska studier – förblir mörk materia undflyende.
Ännu mer mystisk är mörk energi, den kraft som driver universums accelererade expansion.
Detta problem med den kosmologiska konstanten är kanske det skarpaste konflikten mellan kvantfältteori och gravitation. Standardmodellen har inget att säga om mörk energi. Det är en enorm lucka i vår förståelse av kosmos.
Ett annat djupt mysterium ligger i själva Higgs-bosonen.
Higgs massan mäts till 125 GeV. Men kvantkorrigeringar borde driva den mot Planck-skalan (\(10^{19}\) GeV), om inte mirakulösa utjämningar sker. Varför är den så lätt jämfört med gravitationens naturliga energiskalor?
Detta är hierarkiproblemet: Higgs verkar vara anomalt finjusterad. Fysiker misstänker ny fysik, såsom supersymmetri (SUSY), som kan stabilisera Higgs-massan genom att introducera partnerpartiklar som neutraliserar farliga korrigeringar. (Debatter om naturlighet inkluderar idéer från dynamiska lösningar till antropiska resonemang i ett möjligt “landskap” av vakuum.)
SM inkluderar viss CP-brott, men inte tillräckligt för att förklara varför det nuvarande universum är fyllt av materia istället för lika mängder materia och antimateria. Som nämnts ovan erbjuder mekanismer som leptogenes (ofta kopplade till ursprunget till neutrinmassor via seesaw-mekanismen) en övertygande väg där fysik bortom SM tippar balansen.
Standardmodellen kallas ibland “fysikens mest framgångsrika teori”. Dess förutsägelser stämmer med experiment upp till 10-12 decimaler. Den förklarar nästan allt vi ser i partikelacceleratorer och laboratorier.
Men den är ofullständig:
Fysiker står nu inför ett välbekant ögonblick i historien. Precis som Newtons mekanik gav vika för relativitetsteorin, och klassisk fysik för kvantmekanik, måste standardmodellen så småningom ge plats för något djupare.
Det yttersta målet är en stor enhetlig teori (GUT) eller till och med en teori om allt (ToE): ett ramverk som förenar de fyra krafterna, förklarar alla partiklar och fungerar konsekvent från de minsta skalorna (kvantgravitation) till de största (kosmologi).
Detta är den heliga graalen i modern fysik. Därför driver forskare acceleratorer till högre energier, bygger massiva neutrinodetektorer, kartlägger kosmos med teleskop och uppfinner djärva nya matematiska tillvägagångssätt.
De följande kapitlen kommer att utforska de främsta kandidaterna:
Var och en av dessa idéer föddes inte som dogm, utan som vetenskap när den är som bäst: att märka sprickor, bygga nya teorier och testa dem mot verkligheten.
Fysiken har en lång historia av enhetlighet genom symmetri. Maxwells ekvationer förenade elektricitet och magnetism. Speciell relativitetsteori förenade rum och tid. Elektrosvaga teorin förenade två av de fyra fundamentala krafterna. Varje framsteg kom från att avslöja en dold symmetri i naturen.
Supersymmetri – eller SUSY, som fysiker kärleksfullt kallar den – är det djärva förslaget att nästa stora symmetri kopplar samman två till synes olika kategorier av partiklar: materia och kraft.
I standardmodellen delas partiklar in i två stora familjer:
Fermioner (spinn 1/2): Inkluderar kvarkar och leptoner, byggstenarna för materia. Deras halvheltalsspinn innebär att de lyder Paulis uteslutningsprincip: två identiska fermioner kan inte ockupera samma tillstånd. Detta förklarar varför atomer har strukturerade skal och varför materia är stabil.
Bosoner (heltalsspinn): Inkluderar fotoner, gluoner, W- och Z-bosoner samt Higgs. Bosoner medierar krafter. Till skillnad från fermioner kan de samlas i samma tillstånd, vilket förklarar existensen av lasrar (fotoner) och Bose–Einstein-kondensat.
Kort sagt: fermioner bildar materia, bosoner överför krafter.
Supersymmetri föreslår en symmetri som kopplar fermioner och bosoner. För varje känd fermion finns en bosonisk partner. För varje känd boson finns en fermionisk partner.
(“Fotino” och “zino” är äldre smeknamn för gauge-egentillstånd; experiment söker egentligen efter de nämnda massegentillstånden.)
Varför föreslå en så radikal fördubbling av partikelvärlden? Eftersom SUSY lovar eleganta lösningar på några av de djupaste problemen som standardmodellen lämnar efter sig.
En av SUSY:s största lockelser är dess förmåga att hantera hierarkiproblemet: varför är Higgs-bosonen så lätt jämfört med Planck-skalan.
I standardmodellen bör kvantkorrigeringar från virtuella partiklar driva Higgs-massan mot enorma värden. Supersymmetri introducerar spartiklar vars bidrag neutraliserar dessa divergenser. Resultat: Higgs-massan stabiliseras naturligt, utan finjustering (åtminstone i “naturliga” SUSY-spektra).
En annan motivation för SUSY kommer från kraftenheternas enighet.
Detta antyder att vid extremt höga energier kan de tre krafterna smälta samman till en enda stor enhetlig teori (GUT).
Supersymmetri erbjuder också en naturlig kandidat för mörk materia.
Om SUSY är korrekt bör en av spartiklarna vara stabil och elektriskt neutral. Den främsta kandidaten är den lättaste neutralinon, en blandning av bino, wino och higgsino.
Neutralinos skulle bara interagera svagt, vilket passar profilen för WIMP (svagt interagerande massiva partiklar). Om de upptäcks kan de förklara de saknade 27 % av universums materia.
I decennier hoppades fysiker att supersymmetriska partiklar skulle dyka upp strax ovanför de redan utforskade energiskalorna.
Avsaknaden av SUSY-upptäckter vid LHC har varit en besvikelse. Många av de enklaste versionerna av SUSY, som “Minimal Supersymmetric Standard Model” (MSSM), är nu starkt begränsade. “Naturliga” spektra har flyttats mot högre massor, vilket innebär mer finjustering om SUSY existerar nära TeV-skalan.
Ändå har SUSY inte uteslutits. Mer komplexa modeller förutsäger tyngre eller mer subtila spartiklar, kanske utanför LHC:s räckvidd, eller med interaktioner för svaga för att lätt detekteras.
Utöver sina fenomenologiska motiv har SUSY en djup matematisk elegans.
Även om naturen inte realiserar SUSY vid tillgängliga energier har dess matematik redan berikat fysiken.
Idag intar SUSY en märklig position.
Om LHC och dess efterföljare inte finner något kan SUSY endast realiseras vid energiskalor långt bortom vår räckvidd – eller så har naturen kanske valt en helt annan väg.
Supersymmetri illustrerar den vetenskapliga metoden i praktiken.
Fysiker identifierade problem: hierarkiproblemet, enhetlighet, mörk materia. De föreslog en ny, djärv symmetri som löser dem alla. De utformade experiment för att testa den. Hittills är resultaten negativa – men det betyder inte att idén var förgäves. SUSY har förfinat våra verktyg, klargjort vad vi söker och väglett generationer av forskning.
Liksom etern eller epicyklerna före den kan SUSY visa sig vara en språngbräda till en djupare sanning, oavsett om den överlever som det sista ordet eller inte.
Fysik bortom standardmodellen drivs ofta av korrigeringar: lösa hierarkiproblemet, förklara mörk materia, förena gaugekopplingar. Strängteori är annorlunda. Den börjar inte med ett specifikt pussel. Den börjar med matematik – och slutar med att omformulera hela vår uppfattning om rum, tid och materia.
Överraskande nog började strängteorin inte som en teori om allt, utan som ett misslyckat försök att förstå den starka kärnkraften.
I slutet av 1960-talet, innan QCD var fullt utvecklad, försökte fysiker förklara hadronernas zoo. De märkte mönster i spridningsdata som antydde att resonanser kunde modelleras av vibrerande strängar.
“Duellresonansmodellen”, introducerad av Veneziano 1968, beskrev starka växelverkningar som om hadroner var excitationer av små strängar. Den var elegant men övergavs snabbt när QCD framträdde som den sanna teorin om den starka kraften.
Ändå vägrade strängteorin att dö. Gömda i dess ekvationer fanns anmärkningsvärda egenskaper som verkade peka långt bortom kärnfysik.
När teoretiker kvantiserade strängarnas vibrationer fann de att spektrumet oundvikligen inkluderade en masslös partikel med spinn 2.
Detta var chockerande. Kvantfältteori visade att en masslös partikel med spinn 2 är unik: den måste vara gravitationens kvantum, gravitonen.
Som John Schwarz senare noterade: “Men en överraskande sanning framträdde: strängteorins matematik innehöll oundvikligen en masslös partikel med spinn 2 – en graviton.”
Vad som började som en teori om hadroner hade oavsiktligt producerat byggstenen för kvantgravitation.
I hjärtat av strängteorin ersätts punktpartiklar med små endimensionella objekt: strängar.
Strängar kan vara öppna (med två ändar) eller slutna (slingor).
Olika vibrationssätt hos strängen motsvarar olika partiklar.
Denna enkla förändring – från punkter till strängar – löser många av de oändligheter som plågar kvantgravitation. Strängens ändliga storlek suddar ut interaktioner som annars skulle explodera vid noll avstånd.
Tidiga versioner av strängteorin hade problem: de innehöll tachyoner (instabiliteter) och krävde orealistiska egenskaper. Genombrottet kom med införandet av supersymmetri, vilket ledde till supersträngteori på 1970- och 1980-talen.
Supersträngar eliminerade tachyoner, införlivade fermioner och gav en ny matematisk konsistens.
Men det fanns en hake: strängteorin fungerar bara i högre dimensioner. Specifikt, 10 dimensioner av rumtid.
Denna idé, även om den verkar radikal, var inte helt ny. På 1920-talet föreslog Kaluza–Klein-teorin att extra dimensioner kunde förena gravitation och elektromagnetism. Strängteorin återupplivade och utvidgade denna idé enormt.
I mitten av 1980-talet upptäckte fysiker att strängteorin inte var unik, utan existerade i fem olika versioner:
Var och en verkade matematiskt konsekvent, men varför skulle naturen välja en?
År 1984 visade Michael Green och John Schwarz att strängteorin kunde automatiskt neutralisera kvantanomalier – något som kvantfältteorier måste noggrant designa. Denna upptäckt utlöste den första supersträngrevolutionen, där tusentals fysiker vände sig till strängteorin som en kandidat för en enhetlig teori om alla krafter.
Det var det första seriösa ramverket där kvantgravitation inte bara var konsekvent, utan oundviklig.
Mitten av 1990-talet såg en andra revolution. Edward Witten och andra upptäckte att de fem olika strängteorierna inte var rivaler, utan olika gränser av en enda, djupare teori: M-teorin.
M-teorin tros existera i 11 dimensioner och inkluderar inte bara strängar, utan också objekt med högre dimensioner kallade branor (förkortning av membran).
Dessa branor gav upphov till rika nya möjligheter: hela universum kunde existera som 3-branor som svävar i ett högre dimensionellt utrymme, med gravitation som läcker ut i volymen medan andra krafter förblir instängda. Denna bild inspirerade moderna modeller av extra dimensioner som Randall–Sundrum.
Kaluza–Klein (1920-talet): Föreslog en femte extra dimension för att förena gravitation och elektromagnetism. Idén lades på hyllan i decennier, men strängteorin återupplivade den i en mer storslagen form. Komprimerade extra dimensioner förblir en central egenskap hos strängmodeller.
Randall–Sundrum (1999): Föreslog “förvridna” extra dimensioner, där vårt universum är en 3-bran inbäddad i högre dimensioner. Gravitation sprider sig genom volymen, vilket förklarar varför den är svagare än andra krafter. Sådana modeller förutspår möjliga signaler i partikelkollider eller avvikelser från Newtons lag vid mycket korta avstånd.
Strängteorin gör djärva påståenden, men att testa dem är oerhört svårt.
Trots utmaningarna har strängteorin gett en fruktbar grund för matematik, vilket inspirerat framsteg inom geometri, topologi och dualiteter som AdS/CFT (som kopplar gravitation i högre dimensioner till kvantfältteori utan gravitation).
Förespråkare hävdar att strängteorin är den mest lovande vägen till en enhetlig teori: den inkluderar kvantgravitation, förenar alla krafter och förklarar varför gravitonen måste existera.
Kritiker hävdar att utan experimentell bekräftelse riskerar strängteorin att kopplas bort från empirisk vetenskap. Dess enorma “landskap” av möjliga lösningar (upp till \(10^{500}\)) gör det svårt att utvinna unika förutsägelser.
Båda sidor är överens om en sak: strängteorin har förändrat hur vi tänker på fysik och tillhandahållit ett nytt språk för enhetlighet.
Om supersymmetri är nästa steg bortom standardmodellen är strängteorin steget därefter: en kandidat till den efterlängtade teorin om allt.
Dess djärvaste påstående är inte bara att den inkluderar standardmodellen och gravitationen, utan att dessa är oundvikliga konsekvenser av vibrerande strängar i högre dimensioner. Gravitonen är inte ett tillägg – den är inbyggd.
Det återstår att upptäcka om naturen har valt denna väg.
Teorier är fysikens livsnerv, men experiment är dess hjärtslag. Supersymmetri, strängteori och extra dimensioner är vackra matematiska konstruktioner, men de lever eller dör genom bevis. Om de ska vara mer än spekulationer måste de lämna spår i data.
Fysiker har utvecklat geniala sätt att söka efter dessa spår – i kollider, i kosmos och i själva rumtidens struktur.
Large Hadron Collider (LHC) vid CERN är världens mest kraftfulla partikelaccelerator, som kolliderar protoner vid energier upp till 13,6 TeV (design: 14 TeV). Den har varit mänsklighetens främsta verktyg för att utforska fysik bortom standardmodellen.
Vissa teorier antyder att om gravitation blir stark vid TeV-skalan kan små svarta hål bildas i LHC-kollisioner, som förångas i utbrott av partiklar. Inga sådana händelser har observerats.
Om extra dimensioner existerar kan Newtons gravitationslag brytas vid korta avstånd.
Dessa bordsbaserade experiment är anmärkningsvärt känsliga och utforskar skalor som är otillgängliga för kollider.
Upptäckten av gravitationsvågor av LIGO 2015 öppnade en ny gräns.
Hittills är observationerna förenliga med GR inom de nuvarande osäkerheterna, men högre precision kan avslöja överraskningar.
Själva kosmos är den ultimata partikelacceleratorn.
Hittills är himlen tyst. Mörk materia förblir odetekterad, och kosmologiska data passar ΛCDM-modellen utan tydliga spår av strängar.
Decennier av sökande har inte bekräftat SUSY, extra dimensioner eller strängsignaler. Men avsaknad av bevis är inte bevis på avsaknad:
Vissa precisionsavvikelser (t.ex. mätningen av (g-2) för myonen och vissa spänningar i smakfysik) förblir intressanta men olösta; de motiverar fortsatt granskning utan att ännu kullkasta SM.
Vad experimenten har gjort är att begränsa parameterutrymmet. De har sagt oss var SUSY inte finns, hur små extra dimensioner måste vara och hur starkt eller svagt mörk materia kan interagera.
Framtida experiment lovar att utforska djupare:
Den experimentella historien om fysik bortom standardmodellen handlar inte om misslyckande, utan om process.
Precis som Rutherfords guldfolieexperiment krossade plommonpuddingmodellen, eller LIGO skingrade tvivel om gravitationsvågor, kan nästa stora upptäckt komma plötsligt – och förändra allt.
I århundraden har fysiken avancerat genom enhetlighet. Newton förenade himlen och jorden under en gravitationslag. Maxwell förenade elektricitet och magnetism. Einstein förenade rum och tid. Elektrosvaga teorin visade att två mycket olika krafter är aspekter av en enda.
Nästa steg är det djärvaste hittills: att förena de fyra fundamentala växelverkningarna – stark, svag, elektromagnetisk och gravitationskraft – i ett enda, konsekvent ramverk. Detta är fysikens heliga graal: teorin om allt (ToE).
En fullständig enhetlighet är inte bara filosofisk elegans; den hanterar djupa praktiska och konceptuella problem:
En ToE skulle inte bara förena krafterna – den skulle förena skalorna, från de minsta strängarna i kvantteorin till de största kosmiska strukturerna.
Supersymmetri (SUSY), om den realiseras i naturen, ger en språngbräda mot en ToE.
GUT:ar inspirerade av SUSY (som SU(5), SO(10) eller E₆) föreställer sig att vid ultrahöga energier förenas kvarkar och leptoner i större multipletter, och krafterna smälter samman till en enda gaugegrupp.
Men SUSY har ännu inte dykt upp i experiment. Om den bara existerar vid skalor bortom vår räckvidd kan dess enhetliga kraft förbli lockande men dold.
Strängteorin går längre. Istället för att lappa standardmodellen skriver den om dess grunder:
I denna vision är enhetlighet inte en slump – det är geometri. Krafterna skiljer sig åt eftersom strängar vibrerar på olika sätt, formade av topologin hos extra dimensioner.
Upptäckten att de fem strängteorierna är kopplade genom dualiteter ledde till M-teorin, ett ännu mer storslaget ramverk:
M-teorin är fortfarande ofullständig, men representerar det mest ambitiösa steget som någonsin tagits mot en ToE.
Strängteori och M-teori är inte de enda vägarna. Fysiker utforskar flera ramverk, var och en med olika styrkor:
Även om ingen ännu konkurrerar med strängteorins enhetliga räckvidd illustrerar de forskningens rikedom.
En ToE måste i slutändan vara testbar. Även om Planck-skalan är långt bortom nuvarande experiment söker fysiker indirekta bevis:
Hittills förblir ToE:n utom räckvidd, men varje nollresultat beskär möjligheterna.
En sann ToE skulle inte bara förena fysiken – den skulle förena mänsklig kunskap. Den skulle koppla kvantmekanik och relativitetsteori, mikro och makro, partikel och kosmos.
Ändå står den inför ett paradox: själva skalan där enhetlighet sker kan vara för alltid bortom experimentell räckvidd. En 100 TeV-kollider utforskar bara en bråkdel av vägen till Planck-skalan. Vi kan behöva lita på kosmologi, matematisk konsistens eller indirekta signaturer.
Drömmen lever vidare tack vare ramverkens djupa elegans. Som Witten noterade är strängteorin inte bara “en uppsättning ekvationer” utan “ett nytt ramverk för fysik”.
Sökandet efter en ToE handlar inte om att förklara strängteorin, SUSY eller någon enskild idé som “sann”. Det handlar om den vetenskapliga metoden:
Historien är långt ifrån över. Men det är just denna öppenhet – vägran att behandla någon teori som helig – som gör fysiken till en levande vetenskap, inte en dogm.
Det nästa århundradet av fysik kan avslöja:
Eller kanske är den sanna ToE:n något som ingen ännu har föreställt sig.
Men själva sökandet – drivet att förena, förklara, se naturen i sin helhet – är lika mycket en del av mänskligheten som ekvationerna själva.