Ограниченность Стандартной модели и мотивация к её
расширению
Стандартная модель (СМ) элементарных частиц представляет собой
квантовую теорию поля, объединяющую электромагнитное, слабое и сильное
взаимодействия. Несмотря на её выдающиеся успехи в объяснении широкого
круга экспериментальных данных, она не может считаться окончательной
теорией. В рамках СМ остаются без объяснения целый ряд фундаментальных
вопросов:
- Темная материя и темная энергия: СМ не содержит
кандидатов на частицы темной материи и никак не учитывает вклад темной
энергии, составляющей около 70% плотности энергии Вселенной.
- Массы нейтрино: В СМ нейтрино считаются
безмассовыми, в то время как наблюдения нейтринных осцилляций
доказывают, что по крайней мере два из трёх типов нейтрино имеют
массу.
- Барионная асимметрия Вселенной: Существующее
количество антивещества крайне мало по сравнению с веществом. СМ не
объясняет механизм, ответственный за нарушение симметрии между материей
и антиматерией в ранней Вселенной в достаточной степени.
- Проблема иерархии: Масса бозона Хиггса (~125 ГэВ)
требует тонкой настройки квантовых поправок. Возникает вопрос: почему
масса Хиггса остается на низком уровне по сравнению с планковской шкалой
(~10¹⁹ ГэВ)?
- Гравитация: СМ не включает в себя гравитационное
взаимодействие, которое описывается общей теорией относительности и
требует квантуемого описания в рамках единой теории.
Именно эти аспекты стимулируют поиск новой физики за
пределами Стандартной модели, который ведётся как теоретическими, так и
экспериментальными средствами.
Сверхсимметрия (SUSY)
Одним из наиболее активно разрабатываемых расширений СМ является
сверхсимметрия, постулирующая наличие симметрии между
фермионами и бозонами. Для каждой частицы СМ в SUSY существует
суперпартнёр с отличающейся на 1/2 спином:
- Кварки → скварки (squarks)
- Лептоны → слептоны (sleptons)
- Глюоны → глюино (gluino)
- Фотоны → фотино (photino)
- Хиггс → хиггсино (higgsino)
Преимущества SUSY:
- Решение проблемы иерархии: суперпартнёры вносят
квантовые поправки противоположного знака, что стабилизирует массу
Хиггса.
- Унификация констант связи: при учёте SUSY
происходит почти точное объединение трёх фундаментальных взаимодействий
на масштабах порядка 10¹⁶ ГэВ.
- Кандидат на темную материю: наиболее лёгкий
суперпартнёр (чаще всего нейтралино) может быть стабильным и слабо
взаимодействующим, что делает его хорошим кандидатом на роль частицы
темной материи.
Несмотря на интенсивные поиски суперпартнёров на Большом адронном
коллайдере (БАК), пока ни одного из них не удалось обнаружить. Это
требует либо пересмотра параметров SUSY-моделей, либо поиска иных
подходов.
Теория Большого объединения (GUT)
Теории большого объединения стремятся объединить сильное, слабое и
электромагнитное взаимодействия в рамках одной группы симметрии, такой
как SU(5), SO(10) или E₆. В этих теориях кварки и лептоны входят в одни
и те же мультиплеты, предсказывается протонный распад, а также
естественное объяснение квантовых чисел частиц.
Ключевые черты GUT:
- Унификация взаимодействий при высоких энергиях
(~10¹⁶ ГэВ)
- Предсказание распада протона, например: p → e⁺ + π⁰
Однако экспериментальные ограничения на время жизни протона (τ > 10³⁴
лет) уже исключили простейшие модели SU(5).
- Связь с нейтринной физикой: GUT часто содержат
правые нейтрино, необходимые для механизма Си-Со (seesaw), объясняющего
малость масс нейтрино.
Модели с дополнительными измерениями
Некоторые теоретические подходы постулируют существование
дополнительных пространственных измерений:
- Модели Калуцы–Клейна предполагают
компактифицированные измерения, где проявляются моды возбуждений в виде
массивных резонансов.
- Модели с большими дополнительными измерениями
(ADD): гравитация проникает в дополнительные измерения, тогда
как остальные поля локализованы на 3-мерной брейне. Это объясняет
слабость гравитации по сравнению с другими взаимодействиями.
- Модель Рэндалла–Сандрума (RS): искривлённое
дополнительное измерение, способное объяснить иерархию масс.
Эти модели предсказывают характерные сигнатуры на коллайдерах — такие
как появление резонансов, потеря энергии за счёт уноса в дополнительные
измерения и модификация гравитационного потенциала.
Модификации сектора Хиггса
Наблюдение бозона Хиггса не исключает существование расширенного
сектора Хиггса. Возможные модификации:
- Модели с двумя хиггсовскими дублетами (2HDM):
включают два поля Хиггса, что приводит к появлению дополнительных
скалярных частиц: два CP-нечётных, два заряженных, один CP-чётный.
- Нелинейные и эффективные теории Хиггса,
рассматривающие Хиггс как композитную частицу.
- Композитный Хиггс: предполагается, что бозон Хиггса
— связанное состояние некой новой сильной динамики, подобно тому, как
мезоны являются связанными состояниями кварков в КХД.
Теории с нарушением симметрий и новые типы
взаимодействий
- Локальное нарушение симметрии B-L (барионное число минус
лептонное) может быть реализовано через введение нового U(1)
бозона (Z′), участвующего в процессах, запрещённых в СМ.
- Лептонно-зарушающие процессы: такие как μ → eγ или
μ → eee, строго подавлены в СМ, но предсказываются в ряде новых
теорий.
- Нейтрино Майораны: если нейтрино являются частицами
Майораны, возможны процессы двойного бета-распада без нейтрино —
важнейший индикатор физики за пределами СМ.
Экспериментальные подходы к поиску новой физики
Поиски новой физики осуществляются в нескольких направлениях:
- Коллайдерные эксперименты (например, LHC): поиск
новых резонансов, сверхмассивных частиц, отклонений от СМ в
кросс-секциях и распределениях.
- Эксперименты по детекции темной материи: прямые
(XENON, LUX, PandaX) и косвенные (AMS-02, Fermi-LAT).
- Нейтринные эксперименты: наблюдение осцилляций,
поиск стерильных нейтрино, измерения абсолютной массы нейтрино
(KATRIN).
- Измерения магнитного момента мюона: отклонение от
предсказания СМ (анализ эксперимента Muon g-2) указывает на возможную
новую физику.
- Прецизионные измерения редких распадов: например, B
→ K* μ⁺μ⁻ или B_s → μ⁺μ⁻. Отклонения от СМ могут быть связаны с новыми
тяжёлыми бозонами или лептофобными взаимодействиями.
Эффективные теории и модель-независимые подходы
При невозможности напрямую обнаружить новые частицы применяются
эффективные теории поля (Effective Field Theories,
EFT), которые вводят операторы более высокого измерения,
подавленные масштабом новой физики Λ. Эти операторы могут описывать:
- Отклонения в угловых распределениях
- Взаимодействия типа контактных четверточастичных вершин
- Аномальные магнитные и электрические моменты частиц
Особое значение имеют операторы размерности 6, корректирующие
взаимодействия в СМ, и их глобальный анализ позволяет установить нижние
пределы на Λ.
Будущие перспективы и направления развития
- Коллайдеры следующего поколения (FCC, ILC, CLIC,
CEPC) нацелены на прецизионное изучение Хиггса, точные измерения
электрослабых параметров и прямой поиск новой физики.
- Космологические и астрофизические измерения будут
играть ключевую роль в выявлении свойств темной материи, инфляции и
других аспектов новой физики.
- Интердисциплинарные подходы, соединяющие
космологию, физику частиц и гравитацию, становятся всё более значимыми
при построении обобщенных теоретических рамок.
Таким образом, поиски новой физики представляют собой многоуровневую
задачу, включающую как прямые эксперименты на ускорителях, так и
косвенные эффекты в точных измерениях. Их успех будет определять
развитие фундаментальной физики в XXI веке.