超越标准模型

粒子和核物理中的“标准模型”是现代物理学的伟大成就之一。它描述了物质的基本构建块如何与基本力相互作用。然而，人们认识到标准模型不是一个关于基本相互作用的完整理论。有几个原因让物理学家渴望探索“超越标准模型”（BSM）物理。在本文档中，我们将讨论标准模型的局限性、BSM物理的动机及一些旨在增强我们理解的关键理论。

标准模型的局限性

标准模型是一个美丽而成功的理论，但它有几个局限性：

• 引力：标准模型不包括引力作为四种基本力之一。引力单独由广义相对论描述，但将引力与其他力统一的理论仍然难以捉摸。
• 暗物质和暗能量：观测显示，宇宙中大约85％的质量是暗物质，宇宙中大约70％的能量成分是暗能量。标准模型未将这些成分考虑在内。
• 中微子质量：在标准模型中，中微子是无质量的，但实验表明它们具有稍微小于零的质量。
• 重子不对称性：可观察的宇宙主要由物质组成而不是反物质。标准模型不能解释这种物质—反物质不对称性。

超越标准模型物理的动机

为了应对这些局限性，物理学家正在探索新的概念。以下是一些主要灵感来源：

1. 统一：人们希望将所有基本力统一为单一的理论框架。这将把引力纳入粒子物理中，并可能解释所有力作为单个相互作用的表现。
2. 层次问题：标准模型需要微调来解释希格斯玻色子的质量。层次问题指的是希格斯质量为何比普朗克尺度预期的轻得多而不需大量微调。
3. 量子引力：发现量子引力理论，包括假设的引力子，即引力的量子粒子，对于理解高能天体物理现象和早期宇宙非常重要。

超越标准模型的理论示例

已经提出了几种可能的理论，以扩展标准模型：

弦理论

弦理论建议，宇宙的基本对象不是点粒子，而是微小的振动弦。这很有潜力，因为它固有地包括了引力，从而提供了一种可能的万有理论。

每种振动类型对应不同的粒子。想象一下：

在这个插图中，弦以不同方式振动以代表不同的粒子，如电子或夸克。

超对称性（SUSY）

超对称性提出了一种费米子（构成物质的粒子）与玻色子（调节力的粒子）之间的对称性。对于标准模型中的每个粒子，都有一个对应的“超伙伴”。

如果这是真的，这些超伙伴可能对暗物质负责。

额外维度和Kaluza–Klein理论

这些理论建议宇宙中存在额外的空间维度，超出人们熟悉的三维空间。Kaluza–Klein理论最初尝试通过假定第五维度来统一电磁学与引力。

在这个图中，一个圆可能表示一个额外的维度，它在日常经验中是压缩和不可见的。

大统一理论（GUTs）

大统一理论旨在将强相互作用力、弱相互作用力和电磁作用力统一为一种力量。这些理论通常预测质子可以衰变，这一假设仍在实验调查中。

Technicolor原理

这一提议提出了一种希格斯机制的替代方案，引入新的强相互作用，动态生成粒子质量。

数学公式和含义

除了BSM背后的形式化和哲学，还有几种数学工具被使用：

时空与引力理论

许多BSM模型调查非常小尺度上时空的性质。例如，弦理论建议一种由膜构成的时空结构。

// 简化拉格朗日示例 L = - 1/4 F μν F μν + ψ|D|ψ − (1/2) m²Φ² + ...
    

在此拉格朗日中，不同项表示场及其相互作用。例如，F μν指的是规范场强度，表示力的统一。

超越对撞机的物理

例如，大型强子对撞机（LHC）继续通过寻找超伙伴或希格斯耦合来测试BSM预测。未来的对撞机旨在更深入地研究这些想法。

实验和观测测试

探测暗物质，如弱相互作用巨型粒子（WIMPs），观察中微子行为和引力波，所有这些都提供了可以指导BSM物理的数据。

计算方法

模拟BSM情景通常需要大量计算能力来处理复杂模型和分析碰撞事件。量子计算机可能有一天将在量子引力研究中发挥作用。

可视化宇宙：概念视图

除了方程，视觉化BSM概念能使其更易理解：

这些圆圈象征可能的“泡泡宇宙”，它们是在BSM理论中有时考虑的更大多元宇宙框架内。

结论

超越标准模型的物理景观广阔而激动人心。无论是通过新的数学框架还是实验创新，物理学家们努力解答有关宇宙本质的基本问题。技术和计算的进步提供了揭示新现象和加深对宇宙的理解的潜力，超越标准模型设定的已知限制。

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