Пустыня (физика элементарных частиц) - Desert (particle physics)

в Теория Великого Объединения из физика элементарных частиц (GUT), пустыня относится к теоретическому зазору в шкале энергий, приблизительно между шкалой электрослабой энергии, обычно определяемой как приблизительно ожидаемое значение вакуума или VeV из Поле Хиггса (около 246 ГэВ ) –И Шкала GUT, в котором не появляются неизвестные взаимодействия.

Это также можно описать как пробел в длина вовлечены, без новой физики ниже 10−18 м (текущий масштаб длины зондирования) и более 10−31 м (шкала длины ГУТ).

Идея пустыни была продиктована наблюдением приблизительного, по порядку величины, унификация манометров по шкале GUT. Когда значения калибровочных констант связи слабого ядерного, сильного ядерного и электромагнитного взаимодействия наносятся на график как функция энергии, эти 3 значения, по-видимому, почти сходятся к одному общему значению при очень высоких энергиях. Это было одной из теоретических мотиваций для самих теорий Великого Объединения, и добавление новых взаимодействий в любом промежуточном энергетическом масштабе обычно нарушает это объединение калибровочной связи. Разрушение возникает из-за новых квантовых полей - новых сил и частиц, - которые вводят новые константы связи и новые взаимодействия, изменяющие существующие. Стандартная модель константы связи при более высоких энергиях. Однако тот факт, что сходимость в Стандартной модели на самом деле неточен, является одним из ключевых теоретических аргументов. против пустыни, поскольку для точного объединения требуется новая физика ниже Шкала GUT.

Частицы стандартной модели

Все частицы Стандартной модели были обнаружены значительно ниже шкалы энергий примерно 1012 эВ или 1 ТэВ. Самая тяжелая частица Стандартной модели - это верхний кварк, с массой около 173 ГэВ.

Пустыня

Выше этих энергий теория пустыни не предсказывает частицы будут обнаружены до достижения шкалы примерно 1025 эВ[Почему? ]. Согласно теории, измерения физики ТэВ на Большой адронный коллайдер (LHC) и ближайшее будущее Международный линейный коллайдер (ILC) позволит провести экстраполяцию вплоть до шкалы GUT.

Негативное значение пустыни частиц состоит в том, что экспериментальная физика просто не будет ничего более фундаментального, чтобы открыть его в течение очень длительного периода времени. В зависимости от скорости увеличение энергии эксперимента, этот период может составлять сто лет и более. Предположительно, даже если энергия, достигнутая на LHC, составит ~ 1013 эВ, были увеличены до 12 порядков, это привело бы только к получению большего количества частиц, известных сегодня, без исследования базовой структуры. Вышеупомянутый временной интервал можно сократить, наблюдая шкалу GUT за счет радикального развития физика ускорителя или с помощью неускорительных технологий наблюдений, таких как исследование чрезвычайно высоких энергий космический луч события, или другая, еще не разработанная технология.

Альтернативы пустыне демонстрируют частицы и взаимодействия, разворачивающиеся каждые несколько порядков по шкале энергии.

МССМ пустыня

С Минимальная суперсимметричная стандартная модель, настройка параметров может сделать эту унификацию точной[требуется дальнейшее объяснение ]. Это объединение не уникально.

Такое точное калибровочное объединение является общей особенностью суперсимметричных моделей и остается главной теоретической мотивацией для их разработки. Такие модели автоматически вводят новые частицы ("суперпартнеры ") в новой шкале энергии, связанной с нарушением новой симметрии, исключающей обычную энергетическую пустыню. Однако они могут содержать аналогичную" пустыню "между новой шкалой энергии и Шкала GUT.

Зеркальная материя пустыня

Сценарии, подобные Катоптрон модель также может привести к точному объединению после подобной энергетической пустыни. Если известные массы нейтрино из-за механизм качелей, новые состояния тяжелых нейтрино должны иметь массы ниже шкалы GUT, чтобы получить наблюдаемые массы O (1 мэВ), тем самым опровергая гипотезу пустыни.

Свидетельство

По состоянию на 2019 год БАК исключил существование многих новых частиц с массой до нескольких ТэВ, или примерно в 10 раз больше массы топ-кварка. Другое свидетельство в пользу большой энергетической пустыни над электрослабый шкала включает:

  1. Отсутствие каких-либо наблюдаемых распадов протонов, что уже исключило любую новую физику, которая может произвести их вплоть до (и выше) Шкала GUT.[нужна цитата ]
  2. Прецизионные измерения известных частиц и процессов, таких как распады чрезвычайно редких частиц, уже косвенно исследовали шкалу энергий до 1 ПэВ (106 ГэВ), не обнаружив подтвержденных отклонений от Стандартной модели. Это значительно ограничивает любую новую физику, которая может существовать ниже этих энергий.
  3. Наблюдаемые бозон Хиггса режимы и скорости распада пока соответствуют Стандартной модели.

Встречные доказательства

Пока нет прямых свидетельств появления новых элементарных частиц с массами между электрослабой и шкалой GUT, соответствующими пустыне. Однако есть некоторые косвенные доказательства существования таких частиц:

  1. Ведущие теоретические объяснения масс нейтрино, различные модели качелей - все требуют новых состояний тяжелых нейтрино ниже шкалы GUT.
  2. Обе слабовзаимодействующие массивные частицы (WIMP) и аксион модели для темная материя требуют, чтобы новые долгоживущие частицы имели массы намного ниже шкалы GUT.
  3. В Стандартной модели нет физики, которая стабилизирует массу бозона Хиггса до ее фактического наблюдаемого значения. Поскольку фактическое значение намного ниже шкалы GUT, что бы ни стабилизировала новая физика, она должна проявиться и при более низких энергиях.
  4. В последние годы прецизионные измерения привели к нескольким выдающимся расхождениям со Стандартной моделью. К ним относятся аномалии в некоторых B-мезон распадается и неточность измеренного значения Мюон грамм-2 (аномальный магнитный момент ). В зависимости от результатов текущих экспериментов, эти эффекты могут уже указывать на существование неизвестных новых частиц ниже 100 ТэВ.

внешняя ссылка

  • Вулховер, Натали (9 августа 2016 г.). "Что означает отсутствие новых частиц для физики". Журнал Quanta. Фонд Саймонса. Получено 19 декабря 2016.