Стандартна модель - це виключно вдала описова теорія світу елементарних частинок. На її основі можна робити розрахунки, часто дуже точні, і порівнювати їх з тисячами (!) Абсолютно різних експериментальних результатів. За винятком декількох випадків, які можна перерахувати по пальцях, згода між Стандартною моделлю і досвідом разюче гарне.
І тим не менше у Стандартній моделі є свої труднощі. Багато з них пов'язані з тим, що ця теорія багато описує, але не пояснює, звідки воно взялося, не дозволяє його вивести з глибших принципів.
Походження хіггсовского механізму
Хіггсовський механізм електрослабкої симетрії - ключовий елемент Стандартної моделі, яка дуже вдало описує світ елементарних частинок. Однак Стандартна модель не дає ніякого пояснення того, чому взагалі є хиггсовских поле і чому воно має таку властивість - утворювати вакуумний конденсат.
проблема ієрархії
Мал. 1. Облік віртуальних частинок, що оточує реальну частку, змінює її характеристики. Зображення з сайту nobelprize.org
У квантовій теорії елементарних частинок виявляється, що вакуум - це не абсолютна порожнеча, а безупинно вируюче море віртуальних частинок. Ці віртуальні частинки самих різних сортів з'являються на коротку мить і тут же пропадають. Однак якщо поблизу є якась реальна частка, то вони немов огортають її і змінюють її властивості. Всі частинки, з яких складається наш світ, і навіть ті частинки, які народжуються на коллайдерах, - це вже частинки, «закутані» в віртуальну шубу. Маси, заряди і всі інші характеристики спостережуваних частинок - це характеристики не вихідних, а закутаних частинок.
Умовно кажучи, з точки зору теорії, Стандартна модель, будучи надана сама собі, прагне «полетіти» на енергетичний масштаб, на багато порядків перевищує реальний масштаб електрослабкої явищ (близько 200 ГеВ). Усередині Стандартної моделі немає ніякого стримуючого фактора, який зупиняє ріст маси хіггсовского бозона за рахунок віртуальних частинок. Ця трудність називається проблемою ієрархії - теорію сформулювали для роботи на одному масштабі, але вона «воліє жити» на набагато більшому масштабі енергій. (Слово «ієрархія» тут розуміється як виключно сильний дисбаланс енергетичних масштабів.)
Є дві точки зору на цю проблему. Перша можливість полягає в наступному: хіггсовський бозон спочатку мав ненормальні властивості, і лише після того, як він придбав віртуальну шубу, все ненормальності дуже точно компенсувати. Фізикам така тонка підстроювання здається виключно протиприродною.
Другий вихід такий. Якщо в природі є якісь інші частинки, то їх - у віртуальному вигляді - вплив на хіггсовський бозон компенсує один одного. Найважливіше тут в тому, що в багатьох моделях фізики поза Стандартної моделі (в тому числі, деякі немінімально варіанти хіггсовского механізму. А також суперсиметричні теорії) цю компенсацію не треба підлаштовувати. вона сама по собі виникає така, як треба, просто з побудови теорії. Саме такі теорії найбільше приваблюють теоретиків.
парадокс LEP
Приймемо ту точку зору, що при підвищенні енергії Стандартна модель дійсно перетворюється в якусь ширшу теорію, яка і вирішує проблему ієрархій. У більшості конкретних прикладів виходить, що ця Нова фізика повинна повноправно вступати в свої права при енергії близько 1 ТеВ, тобто сучасні колайдери ось-ось відкриють нові частинки або сили. Але раз так, Нова фізика повинна починати відчуватися при набагато менших масштабах енергій, близько 100 ГеВ - адже вона «включається» не різко, а поступово, із зростанням енергії.
Проблема, однак, у тому, що ні електрон-позитронний колайдер LEP (повна енергія зіткнень майже 200 ГеВ), ні протон-антипротонний коллайдер Теватрон (повна енергія зіткнень 2 ТеВ, що дає типову енергію Партон зіткнень декілька сотень ГеВ) до сих пір не відкрили ніякого достовірного відхилення від Стандартної моделі. Цю ж проблему називають «парадоксом LEP»: незважаючи на високу точність даних LEP і незважаючи на те, що Нова фізика повинна бути «за рогом», ніякого натяку на неї LEP не побачив. Втім, в останній рік роботи Теватрон пред'явив відразу кілька результатів, які потребують пояснень, однак до теперішнього відкриття фізики за межами Стандартної моделі справа поки не дійшла.
маси ферміонів
Мал. 2. Маси всіх частинок Стандартної моделі розкидані в дуже широкому діапазоні. У Стандартної моделі така ієрархія мас не отримує задовільного пояснення. Зображення з сайту www.ipod.org.uk
Ще однією загадковою рисою Стандартної моделі є дуже великий розкид мас фундаментальних ферміонів, тобто кварків і лептонів (див. Рис. 2). Маси топ-кварка і електрона розрізняються в сотні тисяч разів, а якщо брати до уваги нейтрино, то в трильйон разів! Оскільки маси ферміонів в Стандартної моделі виникають за рахунок хіггсовского механізму. то виходить, що безрозмірні коефіцієнти у взаємодії хіггсовского поля з фермионами теж розкидані в дуже широкому діапазоні.
З точки зору всього досвіду теоретичної фізики така ситуація теж виглядає ненормальною. Фізики намагаються зрозуміти, чи може існувати якийсь механізм, який природним чином призводить до такого розкиду. Стандартна модель тут не допоможе, але в деяких нестандартних теоріях схожа ієрархія мас може виникати.
Стандартна модель, в тому вигляді, в якому вона спочатку і будувалася, вимагає, щоб нейтрино були строго безмасові. Однак експериментально доведено, що нейтрино мають масу, нехай і дуже маленьку. Крім того, нейтрино дуже активно змішуються один з одним, постійно перетікаючи з одного типу в інший. Все це наводить на думку, що маси і змішування нейтрино відбувається не через хіггсовского механізму. а за рахунок явища якийсь інший природи. Знову ж таки, в Стандартної моделі таких явищ немає, а ось серед різноманітних варіантів Нової фізики таких механізмів предостатньо.
Відсутність частинок темної матерії
У астрофізиці зараз вважається загальноприйнятим. що у Всесвіті, крім звичайної речовини у вигляді зірок, планет, газопилових хмар, чорних дір, нейтрино і т. п. існують і частки зовсім іншої природи, яких ми не бачимо ні в якому діапазоні електромагнітних хвиль. Це частинки темної матерії. про які зараз нічого не відомо, крім того лише факту, що вони рухаються з малими швидкостями і практично не взаємодіють з випромінюванням і звичайною речовиною. У Стандартної моделі немає жодної частки, що підходить на цю роль. Однак частинки-кандидати в темну матерію зустрічаються серед теорій поза Стандартної моделі.
Переважання речовини над антиречовиною
По всій видимості, що спостерігається частина Всесвіту складається практично повністю з речовини - окремих планет, зірок, галактик, зроблених з антиматерії, немає. Такий дисбаланс речовини над антиречовиною повинен був виникнути динамічно на самих ранніх етапах еволюції Всесвіту. Однак розрахунки показали, що Стандартна модель породити потрібний дисбаланс нездатна. Фактично, саме існування світу, яким ми його бачимо, говорить про недостатність Стандартної моделі.