Поиски новой физики

Ограниченность Стандартной модели

Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий является краеугольным камнем современной теоретической физики. Однако несмотря на её успехи в описании электрослабых и сильных взаимодействий, она имеет ряд существенных ограничений:

Отсутствие гравитации: Стандартная модель не включает квантовое описание гравитационного взаимодействия.
Иерархическая проблема: наблюдаемая масса Хиггсовского бозона оказывается крайне чувствительной к ультрафиолетовым поправкам, требующим тонкой подгонки параметров.
Нейтрино: хотя нейтрино имеют массу, Стандартная модель предполагает их безмассовость, что противоречит экспериментам по осцилляциям нейтрино.
Тёмная материя и тёмная энергия: около 95% массы–энергии Вселенной не описываются её полями.
Барионная асимметрия Вселенной: не наблюдается достаточного нарушения CP-симметрии в рамках СМ для объяснения доминирования материи над антиматерией.
Копийность поколений: СМ постулирует три поколения фермионов без объяснения их численности и иерархии масс.

Указанные проблемы побуждают физиков разрабатывать теории за пределами Стандартной модели (BSM – beyond the Standard Model), объединяющие известную физику с новыми симметриями, частицами и принципами.

Суперсимметрия (SUSY)

Суперсимметрия представляет собой расширение пространственно-временной симметрии, предполагающее существование для каждой фермионной частицы суперпартнёра — бозона, и наоборот.

Ключевые свойства:

Каждой частице Стандартной модели соответствует суперпартнёр с отличающимся на ½ спином.
SUSY устраняет иерархическую проблему за счёт взаимной компенсации вкладов фермионов и бозонов в радиативные поправки к массе Хиггса.
Наиболее изучена модель MSSM (Minimal Supersymmetric Standard Model), включающая два Хиггсовских дублета.

Экспериментальные аспекты:

При отсутствии сигналов SUSY на LHC (например, суперпартнёры глюонов — глюино) SUSY-сценарии сжимаются, требуя более высоких энергий разгона.
Некоторые суперпартнёры — кандидаты на тёмную материю (например, нейтралино).

Теории Великого Объединения (GUT)

Идея Великого Объединения предполагает существование единой группы симметрии, объединяющей сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия.

Основные характеристики:

Унификация калибровочных групп SU(3)×SU(2)×U(1) в более крупные, например SU(5), SO(10), E₆.
Прогнозы GUT-моделей включают распад протона, существование магнитных монополей, специфические отношения между массами фермионов.

Распад протона:

Один из ключевых предсказаний — нестабильность протона (p → e⁺ + π⁰ и др.).
Эксперименты Super-Kamiokande и др. ставят нижнюю границу на время жизни протона ~10³⁴ лет.

Симметрия GUT в сверхвысоких энергиях:

Объединение происходит на шкалах ~10¹⁶ ГэВ, что приближает такие теории к границе с квантовой гравитацией.

Квантовая гравитация и теория струн

Неприменимость квантовой теории поля к гравитационному взаимодействию на малых масштабах вынуждает искать более фундаментальную теорию, сочетающую ОТО и КТП. Среди таких подходов:

Предполагает, что элементарные частицы — это не точечные объекты, а одномерные струны, колебания которых определяют тип и свойства частиц.

Особенности:

Включает гравитон (возбудимость струны с s = 2), что естественно вводит гравитацию.
Требует существования дополнительных пространственных измерений (обычно 10 или 11).
Многообразие возможных компактфикаций приводит к ландшафту из ~10^500 возможных вакуумов.

M-теория:

Объединение всех пяти суперструнных теорий в единую 11-мерную структуру.

Петлевая квантовая гравитация (LQG)

Альтернативный подход, в котором пространство-время дискретизируется и квантуется без привлечения струн.

Использует переменные Эштекара и петлевые представления гравитационного поля.
Предсказывает кванты объёма и площади.
Не требует дополнительных измерений и сохраняет локальный реализм.

Теория скрытых измерений (экстра-измерения)

Модели с дополнительными пространственными измерениями, где только гравитация (или также некоторые бозоны) могут распространяться в bulk-пространстве.

Модель Рэндалла–Сандрума:

Геометрия пространства-времени искривлена, и гравитация локализуется на 4D-бране.
Позволяет объяснить иерархию масштабов между слабым и планковским взаимодействиями.

Модель Arkani-Hamed–Dimopoulos–Dvali (ADD):

Пространство имеет большие дополнительные измерения, в которых гравитация “расплывается”, снижая её наблюдаемую силу на больших масштабах.
Ведёт к предсказаниям микрочёрных дыр и отклонений от закона Ньютона на субмиллиметровых расстояниях.

Нейтрино как окно в новую физику

Наблюдение осцилляций нейтрино указывает на ненулевые массы, что невозможно в рамках исходной Стандартной модели. Это стимулировало развитие моделей с правыми нейтрино и механизмом Си-Со (seesaw).

Тип I seesaw:

Вводятся тяжёлые стерильные нейтрино массами порядка GUT-энергий.
Объясняет лёгкость активных нейтрино и возможное возникновение барионной асимметрии через лептогенез.

Нейтринная физика как инструмент BSM:

Возможность Majorana-природы нейтрино проверяется через эксперименты по безнейтринному двойному β-распаду (0νββ).
Исследования стерильных нейтрино могут пролить свет на тёмную материю и структуру правых взаимодействий.

Темная материя и альтернатива Стандартной модели

Темная материя остаётся одним из центральных аргументов в пользу существования физики за пределами СМ. Среди кандидатов:

WIMP — массивные слабо взаимодействующие частицы (например, в SUSY-моделях).
Axion — лёгкий бозон, предложенный как решение проблемы сильного CP-нарушения в КХД.
Sterile neutrino — слабосвязанные правые нейтрино, способные служить тёмной материей.
SIMPs, FIMPs, ALPs — расширенные классы моделей тёмной материи.

Экспериментальные поиски ведутся через:

Прямые детекторы (XENON, LUX-ZEPLIN и др.).
Непрямое обнаружение продуктов аннигиляции.
Коллайдерные эксперименты (LHC).

Нарушения симметрий и поиск новых взаимодействий

Расширенные модели вводят новые источники CP-нарушения, потенциально объясняющие барионную асимметрию. Идут поиски:

Электрических дипольных моментов частиц.
Нарушений CPT-инвариантности.
Новых калибровочных бозонов (Z′, W′).
Пятых взаимодействий (например, ультралёгкие бозоны, действующие на больших расстояниях).

Феноменология коллайдеров и сигнал новой физики

Поиски BSM-физики на коллайдерах (особенно на LHC и планируемом FCC) охватывают:

Резонансы за пределами СМ: Z′, глюонио-подобные частицы, скалярные партнёры.
Сигналы SUSY: мультиджеты + MET, лептоны без видимого происхождения.
Отклонения в угловых распределениях, поперечных сечениях и редких распадах (например, B → K(*)μ⁺μ⁻).

Особое внимание уделяется точным измерениям аномального магнитного момента мюона, расщеплений лептонов (μ → eγ и др.), редким мезонным распадам.

Космологические и астрофизические следы новой физики

Космологическая инфляция требует нового скалярного поля (инфлатона).
Сценарии с первичными чёрными дырами, топологическими дефектами (струны, доменные стены) тесно связаны с GUT.
Спектр CMB и структура крупномасштабных кластеров могут дать информацию о взаимодействиях и природе тёмной материи.
Гравитационно-волновая астрономия открывает путь к изучению фазовых переходов в ранней Вселенной.

Интерпретации и философские аспекты

Некоторые подходы к новой физике вызывают дискуссии относительно фальсифицируемости, экспериментальной проверяемости и научной строгости (например, ландшафт струнной теории).

Ведутся споры о допустимости использования антропного принципа, особенно в контексте мультивселенной.

Путь вперёд

Развитие новой физики требует тесной связи между:

Теоретической консистентностью (анализ симметрий, калибровочной инвариантности, ренормализуемости).
Мощными экспериментами нового поколения.
Космологическими наблюдениями и междисциплинарными подходами.

Таким образом, поиски новой физики представляют собой один из наиболее захватывающих и сложных вызовов современной науки, требующий синергии идей и инструментов из разных областей фундаментальной физики.