La fisica oltre il modello standard si riferisce agli sviluppi teorici della fisica delle particelle necessari per spiegare i fallimenti del modello standard , come l' origine della massa , il problema della violazione di CP dell'interazione forte , le oscillazioni dei neutrini , l' asimmetria materia-antimateria e la natura della materia oscura e dell'energia oscura . Un altro problema risiede nel quadro matematico del Modello Standard stesso: la sua incompatibilità con quello della relatività generale , al punto che l'una o l'altra o entrambe le teorie diventano inoperanti di fronte a determinate condizioni, ad esempio le singolarità gravitazionali note dello spazio. -tempo come il Big Bang o l' orizzonte degli eventi dei buchi neri .
Le teorie oltre il modello standard includono molte estensioni del modello standard alla supersimmetria , come il modello standard supersimmetrico minimo (abbreviato MSSM per modello standard supersimmetrico minimo) e il modello standard supersimmetrico quasi minimo (NMSSM per modello standard supersimmetrico prossimo al minimo), o spiegazioni completamente nuove come la teoria delle stringhe , la teoria M e le dimensioni extra . Poiché queste teorie si sforzano di riprodurre l'insieme dei fenomeni ordinari, la cui individuazione è corretta, o quantomeno costituisce il "miglior avanzamento" verso la teoria del tutto , non può che essere definita sperimentalmente e costituisce uno dei campi più attivi della ricerca in fisica sia teorica che sperimentale .
Sebbene sia la teoria fisica di maggior successo fino ad oggi, il Modello Standard non è perfetto. Gran parte dei risultati pubblicati dai fisici teorici consiste nel proporre diverse forme di nuova fisica "oltre il Modello Standard", che modificherebbero il Modello Standard in modi abbastanza sottili da rimanere compatibili con i dati esistenti, mentre apportando correzioni abbastanza sostanziali da prevedere i risultati secondo il “modello non standard” di nuovi esperimenti che sarebbero stati proposti.
Il modello standard è intrinsecamente incompleto. Ci sono fenomeni fisici in natura che non può spiegare adeguatamente.
In fisica delle particelle, è il livello di 5 sigma (cioè 5 deviazioni standard ) che è il livello ampiamente accettato per qualificare la soglia di una scoperta scientifica . Tuttavia, di tutti i risultati sperimentali ampiamente accettati come contraddittori del Modello Standard, nessuno è ampiamente accettato come contraddittorio a questo livello. Ma ogni esperimento contiene in una certa misura incertezze statistiche o sistemiche . Inoltre, le previsioni teoriche non vengono quasi mai calcolate con precisione. Inoltre, sono soggetti a incertezze nella misurazione delle costanti fondamentali del Modello Standard, alcune piccole, altre sostanziali. Ci si aspetta quindi matematicamente che i risultati di alcune delle centinaia di esperimenti del Modello Standard ne derivino in qualche modo, anche senza la scoperta della "nuova fisica". In un dato momento, ci sono molti risultati sperimentali significativamente differenti dalle aspettative del Modello Standard, anche se è stato trovato sulla raccolta di dati aggiuntivi che molti di loro erano coincidenze statistiche straordinarie o errori sperimentali. D'altra parte, qualsiasi fisica “oltre il Modello Standard” dovrebbe necessariamente manifestarsi sperimentalmente in primo luogo con una differenza statisticamente significativa tra i risultati dell'esperimento e quelli teoricamente previsti dal Modello Standard.
In ogni caso, i fisici cercano di determinare se un risultato è una mera coincidenza o un errore, da un lato, o, dall'altro, un segno di nuova fisica. Ulteriori risultati statistici concordanti non possono più essere una questione di coincidenza, ma possono ancora essere il risultato di errori sperimentali o di una stima imprecisa della precisione sperimentale. Frequentemente, gli esperimenti sono sviluppati nell'ottica di una migliore sensibilità ai risultati sperimentali consentendo di distinguere il modello standard da un'alternativa teorica.
Tra gli esempi più noti ci sono i seguenti:
Tutte le particelle fondamentali previste dal Modello Standard sono state osservate negli acceleratori di particelle . Il bosone di Higgs risulta dal meccanismo di Higgs come spiegato nel Modello Standard, che descrive come viene rotto il calibro di simmetria SU (2) e come le particelle fondamentali acquisiscono massa. Rimane (a partire dal 2014) l'ultima particella prevista dal Modello Standard ad essere stata osservata. Il4 luglio 2012, Gli scienziati del CERN 's Large Hadron Collider ( Large Hadron Collider , LHC) ha annunciato la scoperta di una particella coerente con il bosone di Higgs, l'approssimativa di massa 126 GeV / c2 . L'esistenza di un bosone di Higgs è stata confermata su14 marzo 2013, anche se stiamo ancora cercando conferma che abbia tutte le proprietà previste dal modello standard.
Alcuni adroni , particelle composte da quark , la cui esistenza è prevista dal Modello Standard, che possono essere prodotti solo a energie molto elevate, a frequenze molto basse non sono ancora stati definitivamente osservati, e le " palle gluoni ", particelle composte da gluoni , non sono ancora stati ancora definitivamente osservati. Anche alcuni decadimenti di particelle a bassa frequenza previsti dal Modello Standard non sono stati ancora osservati in modo definitivo, poiché non sono disponibili dati che consentano un'osservazione statisticamente significativa.
Alcune funzionalità del modello standard vengono aggiunte ad hoc . Non sono un problema di per sé, cioè che la teoria funzioni bene con queste caratteristiche ad hoc, ma suggeriscono una mancanza di comprensione. Queste caratteristiche ad hoc hanno portato i teorici a esplorare nuove strade verso teorie più fondamentali basate su un numero minore di parametri. Alcune delle funzionalità ad hoc sono:
Il modello standard ha tre indicatori di simmetria : la simmetria del colore SU (3) , l' isospin debole SU (2) e l' ipercarica U (1) , corrispondenti alle tre forze fondamentali. A causa della rinormalizzazione , le costanti di accoppiamento di ciascuna di queste simmetrie variano con l'energia alla quale vengono misurate. A circa 16 GeV , questi accoppiamenti si equalizzano approssimativamente. Il che ha portato alla speculazione che al di sopra di queste energie i tre indicatori di simmetria del Modello Standard siano unificati in un unico indicatore di simmetria con un singolo gruppo di indicatori e un'unica costante di accoppiamento. Al di sotto di queste energie la simmetria si rompe spontaneamente rispetto a quelle del Modello Standard. Il gruppo di unità speciali a cinque dimensioni SU (5) e il gruppo di unità speciali ortogonali a dieci dimensioni SO (10) sono i più popolari per le scelte di questi gruppi di unificazione.
Le teorie che unificano le simmetrie del Modello Standard in questo modo sono chiamate Teorie della Grande Unificazione (o GUT per le Teorie della Grande Unificazione ), e la scala energetica alla quale la simmetria unificata viene rotta è chiamata scala GUT. Genericamente, le teorie della Grande Unificazione prevedono la creazione di monopoli magnetici durante l'Universo primordiale e l'instabilità del protone . Nessuna delle due è stata osservata fino ad oggi, e questa assenza introduce dei limiti alle possibili GUT.
La supersimmetria estende il modello standard aggiungendo ulteriori classi di simmetrie nella Lagrangiana . Queste simmetrie scambiano particelle fermioniche e bosoniche . Questo tipo di simmetria predice l'esistenza di particelle supersimmetriche, le sparticelle , inclusi sleptoni , squark , neutralinos e charginos . Si presume che ogni particella del Modello Standard abbia un superpartner il cui spin differisce di 1/2 da quello della particella ordinaria. A causa della rottura della supersimmetria , le sparticelle sono molto più pesanti delle loro controparti ordinarie. Sono così pesanti che gli acceleratori di particelle esistenti non hanno abbastanza potenza per produrli.
Nel Modello Standard, i neutrini hanno massa esattamente zero. Ciò risulta dal modello standard contenente solo neutrini di elicità sinistra . Senza un partner adatto con una giusta elicità, è impossibile aggiungere un termine di massa rinormalizzabile al modello standard. Le misurazioni, tuttavia, hanno indicato cambiamenti nei sapori dei neutrini, il che implica che hanno massa. Queste misurazioni danno solo la massa relativa dei diversi sapori. Il miglior vincolo sulla massa assoluta dei neutrini deriva dalle misurazioni di precisione del decadimento del trizio , che fissa un limite superiore di 2 eV , o almeno cinque ordini di grandezza più leggeri di altre particelle del Modello Standard. Ciò richiede un'estensione del Modello Standard, che non solo soffre di una mancanza di spiegazione di come i neutrini acquisiscono massa, ma anche del motivo per cui la massa è così bassa.
Un modo per aggiungere massa ai neutrini, chiamato meccanismo altalenante, è aggiungere neutrini destrogiri e accoppiarli con neutrini levogiri usando un termine di massa di Dirac . I neutrini destrogiri devono essere sterili , il che significa che non partecipano a nessuna delle interazioni del Modello Standard. Non avendo carica, i neutrini destrogiri possono costituire le proprie antiparticelle e avere un termine di massa di Majorana . Come le altre masse di Dirac nel Modello Standard, ci si aspetta che la massa di Dirac del neutrino sia generata per mezzo del meccanismo di Higgs, e quindi non può essere prevista. Le masse dei fermioni del Modello Standard differiscono di diversi ordini di grandezza; la massa di Dirac del neutrino ha almeno la stessa incertezza. La massa di Majorana per i neutrini destrogiri si verificherà utilizzando il modello standard di Higgs e quindi dovrebbe essere correlata a una nuova scala di energia fisica oltre il modello standard . Pertanto, qualsiasi processo che coinvolga neutrini destrogiri sarà soppresso a basse energie. La correzione causa di questi processi soppressi da effettivamente il levogiro neutrini una massa inversamente proporzionale alla massa del destrogiro Majorana, un meccanismo noto come altalena (pendolo). Pertanto, la presenza di neutrini destrogiri pesanti spiega sia la bassa massa dei neutrini levogiri sia la loro stessa assenza nelle osservazioni. Tuttavia, a causa dell'incertezza delle masse del neutrino di Dirac, le masse del neutrino ad angolo retto possono essere ovunque. Ad esempio, possono essere leggeri come pochi keV e costituire materia oscura , possono avere una massa compatibile con il dominio energetico di LHC e portare a violazioni osservabili dei numeri leptonici , oppure possono trovarsi in prossimità della scala di la teoria della grande unificazione, mettendo così in relazione il neutrino destrorso con la possibilità di tale teoria.
I termini di massa mescolano diverse generazioni di neutrini, secondo una parametrizzazione della matrice PMNS , che è l'analogo per il neutrino della matrice CKM di miscelazione dei quark. A differenza del mescolamento quasi minimo dei quark, il mescolamento dei neutrini sembra quasi massimo. Questo porta a molte speculazioni sulle simmetrie tra le diverse generazioni che spiegherebbero il modo di mescolarsi. La matrice di miscelazione può anche contenere diverse fasi complesse che rompono l'invarianza CP, sebbene non ci siano prove sperimentali per questo. Queste fasi potrebbero potenzialmente aver creato un surplus di leptoni rispetto agli anti-leptoni nell'Universo Primordiale, un processo noto come leptogenesi . Questa asimmetria potrebbe essersi successivamente convertita in un eccesso di barioni sugli anti-barioni e spiegare l'asimmetria materia-antimateria osservata nell'Universo.
I neutrini leggeri non possono spiegare la materia oscura per mancanza di massa sufficiente. Inoltre, le simulazioni della formazione delle strutture mostrano che sono troppo calde, vale a dire che la loro energia cinetica è grande rispetto alla loro massa, mentre la formazione di strutture simili alle galassie nel nostro universo richiede la materia oscura fredda . Le simulazioni mostrano che i neutrini possono spiegare meglio una piccola percentuale di materia oscura. Tuttavia, i neutrini destrogiri sterili sono possibili candidati per le WIMP della materia oscura .
Diversi modelli preonici sono stati proposti per risolvere il problema persistente delle tre generazioni di quark e leptoni. I modelli preonici generalmente postulano nuove particelle, che vengono poi presentate come capaci di combinarsi per formare quark e leptoni modello standard. Uno dei primi modelli preon è stato il modello Rishon.
Ad oggi, nessun modello preon è stato verificato e quindi ampiamente accettato.
La fisica teorica continua i suoi sforzi verso una teoria del tutto , che spieghi e leghi insieme tutti i fenomeni fisici conosciuti, e predice i risultati di qualsiasi esperimento condotto secondo i suoi principi. In pratica, l'obiettivo immediato in questa prospettiva è lo sviluppo di una teoria che unisca il Modello Standard e la relatività generale in una teoria della gravità quantistica . Sono previsti ulteriori miglioramenti, come la risoluzione di difetti concettuali nell'una o nell'altra di queste teorie preesistenti, o una previsione accurata della massa delle particelle. Le sfide nella costruzione di una tale teoria non sono solo concettuali, includono gli aspetti sperimentali ad altissima energia necessari per esplorare questi campi esotici. La supersimmetria , la teoria delle stringhe e la gravità quantistica ad anello sono tra i tanti tentativi degni di nota in questa direzione.
Esistono estensioni, revisioni, sostituzioni e riorganizzazioni del Modello Standard, come tentativi di correggere questi e altri problemi. La teoria delle stringhe è una di queste reinvenzione e molti teorici ritengono che queste teorie siano i fisici come il prossimo passo verso la teoria del tutto . Le teorie della gravità quantistica come la gravità quantistica a loop o altre sono considerate da alcuni candidati promettenti per la teoria matematica dell'unificazione dei campi quantistici e della relatività generale, che richiedono modifiche meno drastiche alle teorie esistenti. Tuttavia, il lavoro recente pone limiti convincenti ai presunti effetti della gravità quantistica sulla velocità della luce e mina alcuni dei modelli della gravità quantistica.
Tra le molte varianti della teoria delle stringhe, la teoria M , la cui esistenza matematica è stata proposta per la prima volta alla String Conference nel 1995, è considerata una candidata adatta per la teoria dell'insieme, soprattutto dagli studiosi fisici Brian Greene e Stephen Hawking . Sebbene non esista ancora una descrizione matematica completa, esistono soluzioni a questa teoria per alcuni casi specifici. Lavori recenti hanno anche proposto modelli di stringhe alternativi, alcuni dei quali non mostrano le molte caratteristiche difficili da sperimentare della teoria M (ad esempio l'esistenza di varietà di Calabi - Yau , molte dimensioni aggiuntive , ecc.), incluso dal lavoro dei fisici al popolare pubblicazioni, come Lisa Randall .
"E 'degno di nota che due dei più brillanti di successo fisico XX ° secolo, la relatività generale e il modello standard, appaiono come fondamentalmente incompatibile"
ma si veda anche John F. Donoghue , “ Il trattamento efficace della teoria dei campi della gravità quantistica ”, Atti della Conferenza AIP. , vol. 1473,2012, pag. 73 ( DOI 10.1063/1.4756964 , arXiv 1209.3511 ) :“Ci sono centinaia di affermazioni in letteratura secondo cui 'la relatività generale e la meccanica quantistica sono incompatibili'. Sono completamente obsoleti e difficilmente si adattano più. L'attuale teoria dei campi mostra che la relatività generale e la meccanica quantistica lavorano insieme perfettamente normalmente su un'ampia gamma di scale e curvature, comprese quelle relative al mondo che vediamo intorno a noi. Tuttavia, le teorie di campo in vigore sono valide solo per determinati domini di scala. La relatività generale presenta certamente problemi a scale estreme. Ci sono problemi importanti che l'attuale teoria dei campi non risolve perché esulano dal suo dominio di validità. Tuttavia, questo significa che il problema con la gravità quantistica non è quello che pensavamo. Piuttosto che un'incompatibilità fondamentale tra la meccanica quantistica e la gravità, siamo nella situazione più familiare in cui abbiamo bisogno di una teoria più completa al di là del regno della loro incompatibilità combinata. Il solito matrimonio tra relatività generale e meccanica quantistica funziona bene con le energie ordinarie, ma ora stiamo cercando di scoprire quali cambiamenti devono essere presenti in condizioni più estreme. Ciò costituisce la visione moderna del problema della gravità quantistica e rappresenta un progresso rispetto alla visione obsoleta del passato. ""