Física més allà del Model Estàndar

Archiu:Proton decay GUT simple.svg

Física més allà del Model Estàndar

La física més allà del Model Estàndar es referix als desenrolls teòrics necessaris per a explicar les deficiències del Model Estàndar, tals com l'orige de la massa, el problema CP fort, l'oscilació de neutrinos, l'asimetria matèria-antimatèria, i la naturalea de la matèria obscura i l'energia obscura. Un atre problema recau sobre el marque matemàtic del propi Model Estàndar – el Model Estàndar és inconsistente en la relativitat general al punt de que una o abdós teories ya no tenen sentit en les seues descripcions baix certes condicions (per eixemple, les conegudes singularitats gravitacionals del espai-temps com el Big Bang i el horisó de successos dels forats negres).

Les teories que van més allà del Model Estàndar inclouen vàries extensions del Model Estàndar a través de la supersimetría, com el Model Estàndar Supersimétrico Mínim (MSSM) i el Model Estàndar casi-mínimament Supersimétrico (NMSSM), o explicacions completament noves, com la teoria de cordes, la teoria M i les dimensions extra. Ya que estes teories tendixen a reproduir completament els fenomens actuals, la pregunta és com d'estes teories és la correcta, o a lo manco quin és la "millor opció" per a aplegar a una teoria del Tot, solament pot resoldre's per mig d'experiments i és una de les àrees d'investigació més actives tant en teoria com experimental.

Problemes en el Model Estàndar

A pesar de ser, fins a la data, la teoria de partícules en més èxit, el Model Estàndar no és perfecte. Una gran part de la producció publicada pels físics consistix en noves propostes de física "més allà del Model Estàndar" que modificarien el Model Estàndar de forma lo suficientment sotil com per a ser fiable en les senyes existents, pero abordant les seues imperfeccions de forma lo suficientment material com per a predir els resultats fora del Model Estàndar dels nous experiments que puguen propondre's.

Fenomens no explicats

El Model Estàndar és intrínsecament una teoria incompleta. Existix un número d'observacions en la Naturalea per a les quals el Model Estàndar no proporciona una explicació adequada.

• Gravetat. El Model Estàndar no proporciona una explicació per a la gravetat. El plantejament d'afegir simplement un gravitón al Model Estàndar no recrea lo que s'observa experimentalment sense atres modificacions, encara per descobrir, en el Model Estàndar. Ademés és incompatible en la teoria de la gravetat més exitosa fins a la data, la relativitat general.
• Matèria obscura. Les observacions cosmológicas nos diuen que el model estàndar explica al voltant del 5% de la massa-energia present en l'univers. Al voltant del 26% deuria ser matèria obscura (el 69% restant és energia obscura) que es comportaria igual que el restant de la matèria, pero que només interactua débilment (si és que ho fa) en els camps del Model Estàndar. No obstant, el Model Estàndar no proporciona cap partícula fonamental que siga una bona candidata a matèria obscura.
• Energia obscura. Com ya s'ha mencionat, el 69% restant de l'energia de l'univers deuria consistir en l'anomenada energia obscura, una densitat d'energia constant per al buit. Els intents d'explicar l'energia obscura en térmens de l'energia del buit del model estàndar conduïxen a un desajust de 120 órdens de magnitut[4].

• Massa dels neutrinos. D'acort en el Model Estàndar, els neutrinos són partícules sense massa. No obstant, els experiments de les oscilacions de neutrinos han demostrat que els neutrinos sí tenen massa. Els térmens de massa per als neutrinos es poden afegir manualment al Model Estàndar, pero açò conduïx a nous problemes teòrics. Per eixemple, els térmens de massa deuen ser extraordinàriament menuts i no està clar si les masses dels neutrinos sorgirien de la mateixa manera que les masses d'atres partícules fonamentals en el Model Estàndar.
• Asimetria de la matèria–antimatèria. La majoria de l'univers està fet de matèria. No obstant, el Model Estàndar prediu que la matèria i l'antimatèria deuen haver segut creades en cantitats (casi) iguals si les condicions inicials de l'univers no implicarien una desproporció entre matèria i antimatèria. No obstant, no existix cap mecanisme en el Model Estàndar que explique suficientment esta simetria.

Observacions experimentals no explicades

No s'accepta cap resultat experimental que contradiga definitivament el Model Estàndar en el nivell 5 σ,[5] àmpliament considerat com el llindar d'un descobriment en física de partícules. Ya que cada experiment conté cert grau d'incertitut estadística i sistémica, i que les pròpies prediccions teòriques casi mai es calculen en exactitut i estan subjectes a incertituts en les medicions de les constants fonamentals del Model Estàndar (algunes de les quals són minúscules i atres substancials), és d'esperar que algunes de les centenars de proves experimentals del Model Estàndar es desvien d'ell en certa mida, inclús encara que no hi haguera nova física per descobrir.

En qualsevol moment hi ha varis resultats experimentals en peu que diferixen significativament d'una predicció basada en el Model Estàndar. En el passat, moltes d'estes discrepàncies han resultat ser casualitats estadístiques o errors experimentals que desapareixen a mida que s'arrepleguen més senyes, o quan els mateixos experiments es realisen en més cuidat. Per un atre costat, qualsevol física més allà del Model Estàndar tindria que aparéixer primer en els experiments com una diferència estadísticament significativa entre un experiment i la predicció teòrica. La tasca consistix en determinar quin és el cas.

En cada cas, els físics intenten determinar si un resultat és una mera casualitat estadística o un error experimental, per un costat, o un signe de nova física, per un atre. Els resultats estadísticament més significatius no poden ser meres casualitats estadístiques, sino que poden deure's a un error experimental o a estimacions inexactas de la precisió experimental. En freqüència, els experiments s'adapten per a ser més sensibles als resultats experimentals que distinguirien el Model Estàndar de les alternatives teòriques.

Alguns dels eixemples més notables són els següents:

• Moment de dipol magnètic anómal del muón - el valor medit experimentalment del moment de dipol magnètic anómal del muon (muon "g - 2") és significativament diferent de la predicció del Model Estàndar[6][7] Els resultats inicials de l'experiment Muon g-2 del Fermilab en una desviació estàndar σ de 4,2 "reforcen l'evidència de nova física"[8].

• Desintegració de la posada B, etc. - els resultats d'un experiment BaBar poden sugerir un excedent sobre les prediccions del Model Estàndar d'un tipo de desintegració de partícules ( B → D(*) τ- ντ ). En este cas, un electró i un positrón colisionen, donant lloc a una posada B i una posada B d'antimatèria, que després decau en un posada D i un leptón tau, aixina com en un antineutrino tau. Encara que el nivell de certea de l'excés (3,4 σ en la gerga estadística) no és suficient per a declarar una ruptura en el Model Estàndar, els resultats són una senyal potencial de que alguna cosa va mal i és provable que afecten a les teories existents, incloses les que intenten deduir les propietats dels bosones de Higgs. [9] En 2015, LHCb va informar de l'observació d'un excés de 2,1 σ en la mateixa relació de fraccions de ramificació.[10] L'experiment Belle també va informar d'un excés.[11] En 2017, un metaanálisis de totes les senyes disponibles va informar d'una desviació de 5 σ respecte a el SM.
• Massa anómala del bosón W - els resultats de la Colaboració CDF, comunicats en abril de 2022, indiquen que la massa d'un bosón W excedix la massa predita pel Model Estàndar en una significació de 7 σ.[13]

Detecció del Bosón de Higgs

Fins a 2012, a excepció del bosón de Higgs, totes les demés partícules predites pel Model Estàndar havien segut observades en colisionadores de partícules. L'explicació del mecanisme de Higgs del Model Estàndar predia el bosón de Higgs, descrivint com la simetria de gauge dèbil SU(2) es trenca i com les partícules fonamentals obtenen massa. Busques experimentals han determinat que si el Model Estàndar és correcte, la massa provable devia estar entre 125 GeV/c2) i 126 GeV/c2, encara que extensions simples del Model Estàndar permeten que tinga una massa entre 185 GeV/c2 i 250 GeV/c2.

El 4 de juliol de 2012 els científics del gran colisionador de hadrones varen anunciar el descobriment d'una partícula consistent en el bosón de Higgs.

Problemes teòrics

Alguns dels aspectes del model estàndar s'afigen de forma especial. Açò no representa un problema per es (és dir, la teoria funciona be en estes característiques especials), pero açò vol dir que hi ha una falta de comprensió. Estes característiques especials han motivat als físics teòrics a buscar teories més fonamentals en menys paràmetros. Algunes d'estes característiques especials són:

• El problema de jerarquia – el model estàndar introduïx partícules en masses a través d'un procés conegut com ruptura espontànea de simetria electrodébil provocat pel camp d'Higgs. Dins del model estàndar, la massa de Higgs obté algunes correccions quàntiques molt grans per la presència de partícules virtuals (la majoria d'elles són quark cim virtuals). Estes correccions són molt més grans que la massa de Higgs real. Açò significa que el paràmetro de "Massa Nueta" de Higgs en el model estàndar deu ser ajustat de tal manera que cancele casi per complet les correccions quàntiques. Este nivell d'ajust fi està considerat com no natural per molts físics teòrics.
• Problema CP fort – teòricament es pot argumentar que el model estàndar deu contindre un terme que trenque la simetria CP —relacionant la matèria en l'antimatèria— en el sector de l'interacció forta. Experimentalment, no obstant, no s'ha trobat semblant violació, lo que implica que el coeficient d'este terme està molt pròxim a zero. Este ajust fi també es considera no-natural.
• Número de paràmetros – el model estàndar depén de 19 paràmetros numèrics. Els valors d'açò es coneixen gràcies a experiments, pero l'orige dels valors és desconegut. Alguns teòrics han intentat trobar relacions entre els diferents paràmetros, per eixemple, entre les masses de les partícules en diferents generacions.

Teories de la Gran Unificació

Artícul principal → Teoria de la gran unificació.

El model estàndar té tres simetria gauge; el color SU(3), l'isospin dèbil SU(2), i la simetria d'hipercarga O(1), que corresponen a cada una de les tres interaccions fonamentals. Per la renormalización, les constants acoplades de cada una de les tres simetria varien en l'energia en la qual són medides. Al voltant de 10^19 GeV estos acoplament es tornen aproximadament iguals. Açò ha dut a especular que per damunt d'esta energia, les tres simetria de gauge del model estàndar estan unificades en una única simetria de gauge en un grup simple de gauge, i només una constant d'acoplament. Per baix d'esta energia la simetria es trenca espontàneament donant lloc a les simetria del model estàndar. L'elecció més popular per al grup d'unificació és el grup unitari especial de cinc dimensions SU(5) i el grup ortogonal especial de dèu dimensions SO(10).

Les teories que unifiquen les simetria del model estàndar d'esta manera es diuen Teories de la gran unificació (o GUTs), i l'escala d'energia a la qual la simetria unificada es trenca es diu l'escala GUT. Generalment, les teories de la gran unificació prediuen la creació de monopols magnètics al principi de l'univers i l'inestabilitat del protón. Cap dels dos ha segut observat, i la seua absència posa un llímit estricte a qualsevol possible GUT.