La física más allá del modelo estándar se refiere a los desarrollos teóricos en la física de partículas necesarios para explicar las fallas del modelo estándar , como el origen de la masa , el problema de la violación CP de la interacción fuerte , las oscilaciones de los neutrinos , la asimetría materia-antimateria , y la naturaleza de la materia oscura y la energía oscura . Otro mentiras de problemas en el marco matemático de la propia modelo estándar: su incompatibilidad con la de la relatividad general , hasta el punto de que una o la otra o ambas teorías volverán inoperantes en la cara de ciertas condiciones, por ejemplo, singularidades gravitacionales. Conocidos del espacio -tiempo como el Big Bang o el horizonte de sucesos de los agujeros negros .
Las teorías más allá del Modelo Estándar incluyen muchas extensiones del Modelo Estándar a la supersimetría , como el Modelo Estándar Mínimo Supersimétrico (abreviado MSSM para el Modelo Estándar Mínimo Supersimétrico) y el Modelo Estándar Cuasi-Mínimo Supersimétrico (NMSSM para el Modelo Estándar Supersimétrico Próximo al Mínimo), o explicaciones completamente nuevas como la teoría de cuerdas , la teoría M y dimensiones extra . Como estas teorías se esfuerzan por reproducir la totalidad de los fenómenos ordinarios, cuya identificación es correcta, o al menos que constituye el "mejor avance" hacia la teoría del todo , sólo puede establecerse experimentalmente y constituye uno de los campos más activos de la ciencia. investigación tanto en física teórica como experimental .
Aunque es la teoría física más exitosa hasta la fecha, el modelo estándar no es perfecto. Una gran parte de los resultados publicados por físicos teóricos consiste en proponer diferentes formas de nueva física "más allá del Modelo Estándar", que modificarían el Modelo Estándar de formas lo suficientemente sutiles como para seguir siendo compatibles con los datos existentes, al tiempo que hacen correcciones lo suficientemente sustanciales como para predecir los resultados según el “modelo no estándar” de nuevos experimentos que se propondrían.
El modelo estándar es intrínsecamente incompleto. Hay fenómenos físicos en la naturaleza que no puede explicar adecuadamente.
En física de partículas, el nivel de 5 sigma (es decir, 5 desviaciones estándar ) es el nivel ampliamente aceptado para calificar el umbral de un descubrimiento científico . Sin embargo, de todos los resultados experimentales ampliamente aceptados como contrarios al Modelo Estándar, ninguno es ampliamente aceptado como contradictorio en este nivel. Pero cada experimento contiene, hasta cierto punto, incertidumbres estadísticas o sistémicas . Además, las predicciones teóricas casi nunca se calculan con precisión. Además, están sujetos a incertidumbres en la medición de las constantes fundamentales del Modelo Estándar, algunas pequeñas, otras sustanciales. Por lo tanto, se espera matemáticamente que los resultados de algunos de los cientos de experimentos del Modelo Estándar se deriven algo de él, incluso sin el descubrimiento de una "nueva física". En un momento dado, hay muchos resultados experimentales significativamente diferentes de las expectativas del Modelo Estándar, aunque al recopilar datos adicionales se encontró que muchos de ellos eran coincidencias estadísticas extraordinarias o errores experimentales. Por otro lado, cualquier física "más allá del Modelo Estándar" debería necesariamente manifestarse experimentalmente en primer lugar por una diferencia estadísticamente significativa entre los resultados del experimento y los teóricamente predichos por el Modelo Estándar.
En cada caso, los físicos buscan determinar si un resultado es una mera coincidencia o un error, por un lado, o, por el otro, un signo de nueva física. Los resultados estadísticos adicionales concordantes ya no pueden ser una cuestión de coincidencia, pero pueden ser el resultado de errores experimentales o una estimación imprecisa de la precisión experimental. Con frecuencia, los experimentos se desarrollan con miras a una mejor sensibilidad a los resultados experimentales permitiendo distinguir el modelo estándar de una alternativa teórica.
Entre los ejemplos más notorios se encuentran los siguientes:
Todas las partículas fundamentales predichas por el modelo estándar se observaron en aceleradores de partículas . El bosón de Higgs resulta del mecanismo de Higgs como se explica en el Modelo Estándar, que describe cómo se rompe el indicador de simetría SU (2) y cómo las partículas fundamentales adquieren masa. Sigue siendo (a partir de 2014) la última partícula que el modelo estándar predice que se ha observado. La4 de julio de 2012, Los científicos CERN 's gran colisionador de hadrones ( LHC , LHC) anunció el descubrimiento de una partícula consistente con el bosón Higgs, el aproximado masa 126 GeV / c2 . La existencia de un bosón de Higgs se confirmó en14 de marzo de 2013, aunque todavía estamos buscando la confirmación de que tiene todas las propiedades proporcionadas por el modelo estándar.
Ciertos hadrones , partículas compuestas por quarks , cuya existencia está predicha por el Modelo Estándar, que solo se pueden producir a muy altas energías, a muy bajas frecuencias aún no se han observado definitivamente, y las " bolas gluones ", partículas compuestas por gluones , tampoco se han observado definitivamente todavía. Algunas desintegraciones de partículas de baja frecuencia predichas por el modelo estándar tampoco se han observado de manera definitiva, ya que no se dispone de datos que permitan una observación estadísticamente significativa.
Algunas características del modelo estándar se agregan de forma ad hoc . No son un problema per se, es decir, que la teoría funciona bien con estas características ad hoc, pero sugieren una falta de comprensión. Estas características ad hoc han llevado a los teóricos a explorar nuevas vías hacia teorías más fundamentales basadas en un número menor de parámetros. Algunas de las características ad hoc son:
El modelo estándar tiene tres calibres de simetría : la simetría de color SU (3) , el isospín débil SU (2) y la hipercarga U (1) , correspondientes a las tres fuerzas fundamentales. Debido a la renormalización , las constantes de acoplamiento de cada una de estas simetrías varían con la energía a la que se miden. Alrededor de los 16 GeV , estos acoplamientos se igualan aproximadamente. Lo que ha llevado a la especulación de que, por encima de estas energías, los tres indicadores de simetría del modelo estándar se unifican en un solo indicador de simetría con un solo grupo de indicadores y una única constante de acoplamiento. Por debajo de estas energías, la simetría se rompe espontáneamente en comparación con las del Modelo Estándar. El grupo unitario especial de cinco dimensiones SU (5) y el grupo especial ortogonal de diez dimensiones SO (10) son los más populares para las elecciones de estos grupos de unificación.
Las teorías que unifican las simetrías del Modelo Estándar de esta manera se denominan Teorías de la Gran Unificación (o GUT para las Grandes Teorías Unificadas) y la escala de energía en la que se rompe la simetría unificada se llama escala GUT. Genéricamente, las teorías de la Gran Unificación predicen la creación de monopolos magnéticos durante el Universo temprano y la inestabilidad del protón . Ninguno de los dos se ha observado hasta la fecha, y esta ausencia introduce límites a las posibles GUT.
La supersimetría amplía el modelo estándar al agregar clases adicionales de simetrías en el Lagrangiano . Estas simetrías intercambian partículas fermiónicas y bosónicas . Este tipo de simetría predice la existencia de partículas supersimétricas, las espartículas , que incluyen sleptons , squarks , neutralinos y charginos . Se supone que cada partícula del Modelo Estándar tiene una supercompañera cuyo giro difiere en 1/2 del de la partícula ordinaria. Debido a la ruptura de la supersimetría , las espartículas son mucho más pesadas que sus contrapartes ordinarias. Son tan pesados que los aceleradores de partículas existentes no tienen suficiente potencia para producirlos.
En el modelo estándar, los neutrinos tienen una masa exactamente cero. Esto resulta del modelo estándar que contiene solo neutrinos de helicidad izquierda . Sin un socio adecuado con una helicidad adecuada, es imposible agregar un término de masa renormalizable al modelo estándar. Sin embargo, las mediciones indicaron cambios en los sabores de los neutrinos, lo que implica que tienen masa. Estas medidas solo dan la masa relativa de los diferentes sabores. La mejor restricción sobre la masa absoluta de neutrinos proviene de las mediciones de precisión de la desintegración del tritio , que establece un límite superior de 2 eV , o al menos cinco órdenes de magnitud más ligero que otras partículas del Modelo Estándar. Esto requiere una extensión del Modelo Estándar, que no solo adolece de una falta de explicación de cómo los neutrinos adquieren masa, sino también de por qué la masa es tan baja.
Una forma de agregar masa a los neutrinos, llamada mecanismo de balancín , es agregar neutrinos dextrorrotatorios y acoplarlos con neutrinos levógiros usando un término de masa de Dirac . Los neutrinos dextrorrotatorios deben ser estériles , lo que significa que no participan en ninguna de las interacciones del Modelo Estándar. Al no tener carga, los neutrinos dextrorrotatorios pueden constituir sus propias anti-partículas y tener un término de masa Majorana . Al igual que las otras masas de Dirac en el modelo estándar, se espera que la masa de Dirac del neutrino se genere mediante el mecanismo de Higgs y, por lo tanto, no se puede predecir. Las masas de fermiones del Modelo Estándar difieren en varios órdenes de magnitud; la masa de Dirac del neutrino tiene al menos la misma incertidumbre. La masa de Majorana para los neutrinos dextrorrotatorios se producirá utilizando el Modelo Estándar de Higgs y, por lo tanto, se espera que esté relacionada con alguna nueva escala de energía física más allá del Modelo Estándar . Por lo tanto, cualquier proceso que involucre neutrinos dextrorrotatorios será suprimido a bajas energías. La corrección debida a estos procesos suprimidos le da a los neutrinos levógiros una masa inversamente proporcional a la masa del Majorana dextrorrotatorio, un mecanismo conocido como balancín (péndulo). Por lo tanto, la presencia de neutrinos dextrorrotatorios pesados explica tanto la baja masa de los neutrinos levógiros como su propia ausencia en las observaciones. Sin embargo, debido a la incertidumbre de las masas del neutrino de Dirac, las masas del neutrino en ángulo recto pueden estar en cualquier lugar. Por ejemplo, pueden ser tan ligeros como unos pocos keV y constituir materia oscura , pueden tener una masa compatible con el dominio energético del LHC y dar lugar a violaciones observables de los números leptónicos , o pueden estar en las proximidades de la escala de la teoría de la gran unificación, relacionando así el neutrino diestro con la posibilidad de tal teoría.
Los términos de masa mezclan diferentes generaciones de neutrinos, según una parametrización de la matriz PMNS , que es el análogo del neutrino de la matriz CKM de mezcla de quarks. A diferencia de la mezcla casi mínima de quarks, la mezcla de neutrinos parece casi máxima. Esto lleva a mucha especulación sobre las simetrías entre las diferentes generaciones que explicarían el modo de mezcla. La matriz de mezcla también puede contener varias fases complejas que rompen la invariancia CP, aunque no hay evidencia experimental de esto. Estas fases podrían haber creado potencialmente un excedente de leptones sobre antileptones en el Universo Temprano , un proceso conocido como leptogénesis . Esta asimetría puede haberse convertido posteriormente en un exceso de bariones sobre anti-bariones, y explicar la asimetría materia-antimateria observada en el Universo.
Los neutrinos ligeros no pueden explicar la materia oscura por falta de masa suficiente. Además, las simulaciones de la formación de estructuras muestran que están demasiado calientes, es decir que su energía cinética es grande en comparación con su masa, mientras que la formación de estructuras similares a las galaxias en nuestro universo requiere la materia oscura fría . Las simulaciones muestran que los neutrinos pueden explicar mejor un pequeño porcentaje de materia oscura. Sin embargo, los neutrinos dextrorrotatorios estériles son posibles candidatos para WIMP de materia oscura .
Se han propuesto varios modelos de preon para resolver el problema persistente de las tres generaciones de quarks y leptones. Los modelos Preon generalmente postulan nuevas partículas, que luego se presentan como capaces de combinarse para formar los quarks y leptones del modelo estándar. Uno de los primeros modelos preon fue el modelo Rishon.
Hasta la fecha, no se ha verificado ningún modelo previo y, por lo tanto, se ha aceptado ampliamente.
La física teórica continúa sus esfuerzos hacia una teoría del todo , que explicaría y uniría completamente todos los fenómenos físicos conocidos y predeciría los resultados de cualquier experimento realizado de acuerdo con sus principios. En la práctica, el objetivo inmediato en esta perspectiva es el desarrollo de una teoría que une el Modelo Estándar y la relatividad general en una teoría de la gravedad cuántica . Se esperan mejoras adicionales, como la resolución de fallas conceptuales en una u otra de estas teorías preexistentes, o una predicción precisa de la masa de las partículas. Los desafíos en la construcción de una teoría de este tipo no son solo conceptuales, sino que incluyen los aspectos experimentales de muy alta energía necesarios para explorar estos campos exóticos. La supersimetría , la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica de bucles se encuentran entre los muchos intentos notables en esta dirección.
Hay extensiones, revisiones, reemplazos y reorganizaciones del Modelo Estándar, como intentos de corregir estos y otros problemas. La teoría de cuerdas es una de esas reinvenciones, y muchos teóricos creen que estas teorías físicas son el siguiente paso hacia la teoría del todo . Algunas teorías de la gravedad cuántica como la gravedad cuántica de bucles u otras son consideradas por algunos como candidatos prometedores para la teoría matemática de la unificación de campos cuánticos y la relatividad general, que requieren cambios menos drásticos en las teorías existentes. Sin embargo, un trabajo reciente establece límites convincentes sobre los supuestos efectos de la gravedad cuántica sobre la velocidad de la luz y socava algunos de los modelos de gravedad cuántica.
Entre las muchas variaciones de la teoría de cuerdas, la teoría M , cuya existencia matemática se propuso por primera vez en la Conferencia de Cuerdas de 1995, es considerada una candidata adecuada para la teoría del conjunto, especialmente por los académicos físicos Brian Greene y Stephen Hawking . Aunque aún no existe una descripción matemática completa, existen soluciones a esta teoría para algunos casos específicos. Trabajos recientes también han propuesto modelos de cuerdas alternativos, algunos de los cuales no exhiben las muchas características difíciles de experimentar de la teoría M (por ejemplo, existencia de variedades Calabi-Yau , muchas dimensiones adicionales , etc.), incluyendo desde trabajos de físicos hasta trabajos populares. publicaciones, como Lisa Randall .
"Es notable que dos de los más brillantes del éxito física XX XX siglo, la relatividad general y el modelo estándar, aparecen como fundamentalmente incompatibles"
pero ver también John F. Donoghue , “ El tratamiento efectivo de la teoría de campos de la gravedad cuántica ”, Actas de la conferencia AIP. , vol. 1473,2012, p. 73 ( DOI 10.1063 / 1.4756964 , arXiv 1209.3511 ) :“Hay cientos de afirmaciones en la literatura de que 'la relatividad general y la mecánica cuántica son incompatibles'. Están completamente desactualizados y ya casi no se adaptan. La teoría de campo actual muestra que la relatividad general y la mecánica cuántica funcionan juntas perfectamente normalmente en una amplia gama de escalas y curvaturas, incluidas las relacionadas con el mundo que vemos a nuestro alrededor. Sin embargo, las teorías de campo vigentes solo son válidas para ciertos dominios de escala. La relatividad general ciertamente presenta problemas a escalas extremas. Hay problemas importantes que la teoría de campo actual no resuelve porque se encuentran más allá de su dominio de validez. Sin embargo, esto significa que el problema con la gravedad cuántica no es lo que asumimos. En lugar de una incompatibilidad fundamental entre la mecánica cuántica y la gravedad, nos encontramos en la situación más familiar en la que necesitamos una teoría más completa más allá del ámbito de su incompatibilidad combinada. El matrimonio habitual de la relatividad general y la mecánica cuántica funciona bien con energías ordinarias, pero ahora estamos buscando averiguar qué cambios deben estar presentes en condiciones más extremas. Esto constituye la visión moderna del problema de la gravedad cuántica y representa un avance en la visión obsoleta del pasado "".