Стандартная модель (СМ) квантовой теории поля представляет собой феноменально успешное описание взаимодействий между фундаментальными частицами в рамках трёх из четырёх известных фундаментальных взаимодействий: электромагнитного, слабого и сильного. Несмотря на это, СМ не считается завершённой теорией природы, и существует ряд нерешённых вопросов, указывающих на необходимость её расширения. Среди них:
Сверхсимметрия (SUSY) предполагает существование симметрии между фермионами и бозонами. Каждой частице Стандартной модели соответствует суперпартнёр с противоположной статистикой.
Ключевые черты SUSY:
Экспериментальный статус: Прямые поиски суперпартнёров (глюино, скварков и др.) на БАКе пока не дали положительных результатов, что указывает на необходимость повышения нижних границ их масс.
Существуют модели, объединяющие SU(3)_C × SU(2)_L × U(1)_Y в одну большую симметрию, например SU(5), SO(10) или E6.
Свойства теорий великого объединения (GUT):
Наблюдательные ограничения: Отсутствие распада протона в экспериментах (например, Super-Kamiokande) накладывает строгие ограничения на допустимые параметры GUT-моделей.
Одно из наиболее убедительных доказательств существования физики за пределами СМ — наличие масс нейтрино. Простое добавление правого нейтрино ν_R позволяет записать как дираковский, так и майорановский члены массы:
$$ \mathcal{L}_\text{mass} = - \frac{1}{2} M_R \overline{\nu_R^c} \nu_R - y_\nu \overline{L} \tilde{\phi} \nu_R + h.c. $$
После электрослабого разложения φ → ⟨φ⟩, получаем эффективную массу лёгкого нейтрино:
$$ m_\nu \approx \frac{(y_\nu v)^2}{M_R} $$
При M_R ~ 10¹⁴ ГэВ и y_~ 1 получаем m_~ 0.1 эВ — согласуется с экспериментами. Этот механизм предсказывает существование тяжёлых нейтрино, которые могут лежать вне досягаемости современных ускорителей.
Стандартная модель не содержит подходящего стабильного, нейтрального и слабо взаимодействующего кандидата на роль тёмной материи. Возможные теоретические объяснения включают:
Эксперименты по прямому и косвенному поиску тёмной материи (XENON, LUX-ZEPLIN, Fermi-LAT) сужают пространство параметров, но пока не выявили достоверных сигналов.
Теории Калуцы–Клейна и более современные модели, например RS1 (Randall–Sundrum), предлагают существование дополнительных пространственных измерений.
Особенности:
Экспериментальные ограничения: Отсутствие наблюдения новых резонансов в pp-столкновениях при √s = 13–14 ТэВ ставит строгие нижние границы на размеры и кривизну дополнительных измерений.
Теория струн рассматривает фундаментальные частицы как одномерные объекты — струны. Разные колебательные моды соответствуют различным частицам. Теория требует:
Компактфикация дополнительных измерений, например на многообразиях Калаби–Яу, приводит к множеству возможных низкоэнергетических эффективных теорий (ландшафт теории струн). Это делает предсказательную силу теории ограниченной.
Некоторые подходы к квантовой гравитации предсказывают возможность нарушения фундаментальных симметрий, таких как CPT и Лоренц-инвариантность. Это может проявляться:
Существуют модели, описывающие такие эффекты в рамках эффективной теории поля (например, SME — Standard-Model Extension), которые активно тестируются в высокоточных экспериментах.
Наблюдаемое преобладание вещества над антивеществом требует нарушения барионного числа, CP-симметрии и выхода из термодинамического равновесия (условия Сахарова).
Лептогенез — привлекательный механизм, в котором асимметрия по лептонному числу возникает при распаде тяжёлых правых нейтрино, а затем переходит в барионную через аномалии SU(2)_L. Этот процесс естественно реализуется в моделях с see-saw механизмом и связан с физикой высоких энергий (~10⁹–10¹² ГэВ).
Поиски физики за пределами СМ ведутся по многим направлениям: от ускорительных экспериментов и космологических наблюдений до прецизионной спектроскопии и астрофизики высоких энергий. Современные и будущие эксперименты — такие как HL-LHC, DUNE, Hyper-Kamiokande, CTA, а также гравитационно-волновые обсерватории — играют ключевую роль в проверке теоретических сценариев. Несмотря на отсутствие окончательных доказательств новой физики, растущий объём косвенных свидетельств продолжает указывать на необходимость расширения Стандартной модели.