Öken (partikelfysik)

I Grand Unified Theory of partikelfysik (GUT) hänvisar öknen till ett teoretiserat gap i energiskalor, mellan ungefär den elektrosvaga energiskalan – konventionellt definierad som ungefär vakuumförväntningsvärdet eller VeV för Higgsfältet (cirka 246 GeV ) – och GUT-skalan , där inga okända interaktioner förekommer.

Det kan också beskrivas som ett gap i längderna , utan ny fysik under 10 −18 m (den för närvarande undersökta längdskalan) och över 10 −31 m (GUT-längdskalan).

Idén om öknen motiverades av observationen av ungefärlig, storleksordning, mätare kopplingsförening på GUT-skalan. När värdena för mätarkopplingskonstanterna för de svaga kärnkrafterna, starka kärnkrafterna och elektromagnetiska krafterna plottas som en funktion av energi, verkar de tre värdena nästan konvergera till ett gemensamt enskilt värde vid mycket höga energier. Detta var en teoretisk motivering för själva Grand Unified Theories, och att lägga till nya interaktioner på vilken mellanenergiskala som helst stör i allmänhet denna mätkopplingsenhet. Störningen uppstår från de nya kvantfälten - de nya krafterna och partiklarna - som introducerar nya kopplingskonstanter och nya interaktioner som modifierar den befintliga standardmodellens kopplingskonstanter vid högre energier. Det faktum att konvergensen i standardmodellen faktiskt är inexakt, är dock ett av de viktigaste teoretiska argumenten mot öknen, eftersom att göra föreningen exakt kräver ny fysik under GUT-skalan .

Standardmodellpartiklar

  Alla standardmodellpartiklarna upptäcktes långt under energiskalan på cirka 10 12 eV eller 1 TeV. Den tyngsta standardmodellpartikeln är toppkvarken , med en massa på ungefär 173 GeV.

Öknen

Ovanför dessa energier förutspår ökenteorin att inga partiklar kommer att upptäckas förrän de når skalan på ungefär 10 25 eV [ varför? ] . Enligt teorin kommer mätningar av fysik i TeV-skala vid Large Hadron Collider (LHC) och den nära framtiden International Linear Collider (ILC) att möjliggöra extrapolering ända upp till GUT-skalan.

Partikelöknens negativa implikation är att experimentell fysik helt enkelt inte kommer att ha något mer grundläggande att upptäcka, under en mycket lång tidsperiod. Beroende på ökningstakten i experimentenergierna kan denna period vara hundra år eller mer. Förmodligen, även om energin som uppnås i LHC, ~ 10 13 eV, ökades med upp till 12 storleksordningar, skulle detta bara resultera i att producera mer rikliga mängder av de partiklar som är kända idag, utan att någon underliggande struktur undersöks. Den ovannämnda tidsperioden kan förkortas genom att observera GUT-skalan genom en radikal utveckling inom acceleratorfysik , eller genom en icke-acceleratorobservationsteknik, som att undersöka kosmiska strålhändelser med enormt hög energi, eller annan, ännu outvecklad teknologi.

Alternativ till öknen uppvisar partiklar och interaktioner som utspelar sig med varje enstaka storleksordning ökning i energiskalan.

MSSM öknen

Med den minimala supersymmetriska standardmodellen kan justering av parametrar göra den stora sammanslagningen exakt. Denna sammanslagning är inte unik.

En sådan exakt mätenhetsförening är en generisk egenskap hos supersymmetriska modeller och förblir en viktig teoretisk motivering för att utveckla dem. Sådana modeller introducerar automatiskt nya partiklar (" superpartners ") i en ny energiskala som är förknippad med brytningen av den nya symmetrin, vilket utesluter den konventionella energiöknen. De kan dock innehålla en analog "öken" mellan den nya energiskalan och GUT-skalan .

Spegel materia öknen

Scenarier som Katoptron-modellen kan också leda till exakt enande efter en liknande energisk öken. Om de kända neutrinomassorna beror på en gungbrädamekanism , måste de nya tunga neutrinotillstånden ha massor under GUT-skalan för att producera de observerade O(1 meV)-massorna, och därigenom förfalska ökenhypotesen.

Bevis

Från och med 2019 har LHC uteslutit förekomsten av många nya partiklar upp till massor av några TeV, eller ungefär 10 gånger massan av toppkvarken. Andra indirekta bevis till förmån för en stor energiöken för ett visst avstånd över den elektrosvaga skalan (eller till och med inga partiklar alls utöver denna skala) inkluderar:

  1. Frånvaron av några observerade protonsönderfall, vilket redan har uteslutit många nya fysikmodeller som kan producera dem upp till (och bortom) GUT-skalan . [ citat behövs ]
  2. Precisionsmätningar av kända partiklar och processer, såsom extremt sällsynta partikelsönderfall, har redan indirekt undersökt energiskalor upp till 1 PeV (10 6 GeV) utan att hitta några bekräftade avvikelser från standardmodellen. Detta begränsar avsevärt all ny fysik som kan existera under dessa energier.
  3. Forskning från experimentella data om den kosmologiska konstanten , LIGO- brus och pulsartiming , tyder på att det är mycket osannolikt att det finns några nya partiklar med massor som är mycket högre än de som kan hittas i standardmodellen eller Large Hadron Collider . Denna forskning har emellertid också visat att kvantgravitation eller störande kvantfältteori kommer att bli starkt kopplade före 1 PeV, vilket leder till annan ny fysik i TeVs.
  4. De observerade Higgs bosonavklingningslägen och -hastigheterna är hittills förenliga med standardmodellen.

Motbevis

Hittills finns det inga direkta bevis på nya fundamentala partiklar med massor mellan den elektrosvaga och GUT-skalan, i överensstämmelse med öknen. Det finns dock några teorier om varför sådana partiklar kan existera:

  1. De ledande teoretiska förklaringarna av neutrinomassorna, de olika gungbrädamodellerna, kräver alla nya tunga neutrinotillstånd under GUT-skalan.
  2. Både svagt interagerande massiva partiklar (WIMP) och axionsmodeller för mörk materia kräver att de nya, långlivade partiklarna har massor långt under GUT-skalan.
  3. I standardmodellen finns det ingen fysik som stabiliserar Higgs bosonmassa till dess faktiska observerade värde. Eftersom det faktiska värdet ligger långt under GUT-skalan, måste vilken ny fysik än stabiliseras i slutändan bli uppenbar vid lägre energier också.
  4. Precisionsmätningar har producerat flera enastående avvikelser med standardmodellen under de senaste åren. Dessa inkluderar anomalier i vissa B- mesonavfall och en avvikelse i det uppmätta värdet av Muon g -2 ( avvikande magnetiskt moment) . Beroende på resultaten av pågående experiment kan dessa effekter redan indikera förekomsten av okända nya partiklar under cirka 100 TeV.

externa länkar


Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Desert_(particle_physics)&oldid=1141060785 "