Standart Model ötesi fizik

Standart Model ötesi fizik, ile Standart modeldeki kütlenin kökeni, güçlü CP problemi, nötrino salınımı, baryon asimetrisi ve karanlık madde ve karanlık enerjinin doğası gibi kuramsal olarak geliştirilmiş olayların açıklanmaya çalışılması kastedilir.Standart model’in matematiksel taslağında bulunan başka problem de genel görelilik ile olan tutarsızlığı ve iki kuramında kesin koşullarda geçerli çökmesidir. (örneğin, Büyük Patlama ve Kara delik olay ufku gibi boşluk-zaman tuhaflığının olduğu durumlar). Standart model’in ötesinde süper simetri sayesinde en düşük süper simetrik standart model (MSSM) ve hemen hemen en düşük süper simetrik standart model (NMSSM), yapılan değişik açıklamalar sayesinde de sicim kuramı, M-kuramı ve fazladan boyutlar gibi çeşitli uzantılar bulunur.Kuramların hepsi güncel olayın bütünlüğünü tekrar üretmeye yatkın olduğundan, Her şeyin Kuramı’na adım atmaya ya da bunu bulmaya en yakın kuram sadece deneyler vasıtayla bulunabileceğinden kuramsal ve deneysel fizikteki en aktif konulardan biri standart modelin ötesindeki fiziktir.

Kütleçekimi. Standart Model kütleçekimini açıklamaz. Graviton'u (Eğer varsa, özellikleri fizikçiler arasındaki bir oy birliğinin konusudur.) Standart modele eklemek, şimdiye dek Standart Model’de keşfedilmemiş değişiklikler olmaksızın deneysel olarak gözlemlenmiş olanı tekrar yaratmaz. Dahası, Standart Model’in şu ana kadarki kütleçekimi ile ilgili en başarılı teori olarak görülen genel görelilik ile karşılaştırılamayacağı düşünülür.

Karanlık Madde ve karanlık enerji. Evrenbilimsel gözlemler bize Standart Model’in evrende bulunan enerjinin sadece %4’ünü açıklayabildiğini söyler. Bilinmeyen %96’nın yaklaşık olarak %27’si diğer maddeler gibi davranan ancak Standart Model’in alanlarıyla zayıf etkileşimde bulunan karanlık madde olmalıdır. Yine de, Standart Model iyi bir karanlık madde örneği olacak önemli parçacıklar sağlayamaz. Kalanı, boşluğun yoğunluğu olan karanlık enerji olmalıdır. Standart Modelin karanlık enerjiyi boşluk enerjisi olarak açıklama girişimleri, büyüklüğün 120 düzenine ters düşmektedir.

Nötrino. Kütleleri. Standart modele göre, nötrinolar kütlesiz parçacıklardır. Ancak, nötrino salınımı deneyleri, nötrinoların kütlelerini olduğunu göstermiştir. Kütle kavramı nötrinolara eklenebilir ancak bu durum bazı yeni kuramsal sonuçlara neden olur. Örneğin, kütle olağan dışı şekilde küçük olmalıdır ve nötrino kütlelerinin standart modeldeki diğer önemli parçacıklar gibi yükselip yükselmeyeceği kesin değildir.

Baryon Asimetrisi. Evren çoğunlukla maddeden yapılmıştır. Ancak, Standart Model, eğer evrenin başlangıçtaki koşulları madde ve karşıt madde arasında bir orantısızlık içermiyorsa, madde ve anti maddenin neredeyse eşit miktarda yaratıldığını öngörür. Yine de Standart Modeldeki bu asitmetriyi açıklayacak bir işleyiş bulunamamıştır.

Standart Model’de deneysel bulgular parçacık fiziği için buluş eşiği olarak kabul edilen “beş sigma” (beş standart sapma) düzeyi ile çelişmediği sürece yanlış kabul edilmez. Ancak, tüm deneyler bir düzeye kadar istatistiksel ve sistematik tereddüt içerdiği için, kuramsal öngörüler neredeyse hiçbir zaman tam olarak hesaplanamadığı için, Standart Model’in önemli sabitlerinin ölçümlerinde de, çoğu küçük ve bir kısmı önemli düzeydeki, tereddütler olduğu için, matematiksel olarak yüzlercesi bulunan deneysel kriterlerin eğer Standart Model’in ötesinde bir “yeni fizik” keşfedilmezse, Standart Model için bu sapmalar oldukça ileri düzeyde olacaktır. Her an, deneysel bulguların birçoğu istatistiksel rastlantı ve hatalarla toplanmış veriler olsalar da, Standart Model’in öngörülerinden oldukça farklı olarak bulunmaktadırlar. Ancak, Fiziğin ötesindeki standart model, öncelikle deneysel bulgular ile Standart Modeldeki öngörülerin farklılığını açıkça belirtebilmek zorundadır. Her durumda, fizikçiler bir yandan sonuçların istatistiksel rastlantı ya da deneysel hata mı olup olmadığını bulmaya çalışırlarken, bir yandan da yeni bir fiziğin işaretlerini mi bulduklarını düşünmektedirler. Daha sayısal olan önemli sonuçlar sadece istatistiksel rastlantılardan ibaret olamaz ancak, deneysel hassasiyetin doğru olmayan yaklaşımları ya da deneysel hataları da barındırabilir. Sıklıkla, deneyler, kuramsal alternatifleri standart modelden ayırt etmek için daha hassas olarak ayarlanmaya çalışılır.

Müyonik Hidrojen Standart model kuramsal olarak sıradan bir hidrojenin (proton-elektron sistemi) ve müyonik hidrojenin (proton-müyon sistemi (müyon elektronun daha ağır olan değişkenidir.))Ancak, müyonik hidrojenin ölçülen atomik yarıçapı Standart Model tarafından kullanılan öngörülen yarıçaptan oldukça farklıdır. Önceki deneylerdeki hata değerlendirmelerinin doğruluğu hakkındaki şüpheler her bir ölçüm için %4 içerisindedir ve bu çelişkiyi açıklayabilecek kuram eksikliği de bulunmakta ve bu fizikçilerin Standart Model’in aksine sonuçlar bulmasına, tanımlamaları kuşku ile yapmalarına neden ve , ortadaki istatistiksel sonuçlar ve sonuçlardaki deneysel hataların kaynağını tam anlamıyla açıklamada sorunlara neden olmaktadır.

BaBar- Standart Modeldeki Hatalar İçin Muhtemel Veri Önerileri BaBar deneyindeki sonuçlar Standart Model’in üstünde B’den D’ye-yıldız-tau-nu tipinde parçacık bozunmasının öngörülerinde bulunur. Bu deneyde, bir elektron ve pozitif elektron çarpışır, B mesonu ve onun karşıt maddesi B-bar mesonu ile sonuçlanır, daha sonra D mesonu ve tau leptonuna bozunarak karşıt nötrino kadar küçülür. Ölçüsüzlüğün kesinliğinin düzeyi Standart Model’den kopmayı iddia etmek için yeterli değildir, sonuçlar potansiyel olarak hatalı bir şeyin işareti ve Higgs Bozonu’nun özelliklerini açıklamaya çalışan kuramlar da dahil olmak üzere hali hazırdaki kuramlara bir darbe niteliğindedir.

Standart model tarafından öngörülen parçacık çarpıştırıcılardaki tüm önemli parçacıkların gözlemleri onaylanmıştır. Higgs Bozonu Standart Modeldeki’ Higgs Mekanızması’nın açıklamasına dayanılarak öngörülmüş, zayıf SU(2) ölçüm simetrisinin nasıl bozulduğu ve önemli parçacıkların kütlelerini saptama konusundaki gözlemlenen son parçacık olmuştur.4 Temmuz 2012’de CERN bilim adamları, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nı kullanarak Standart Model tarafından varlığı çoktan öngörülmüş olan, Higgs Bozonu ile uyuşan ve kütlesi olan bir parçacık keşfedildiğini duyurmuştur. Standart Model tarafından varlığı öngörülen ve çok yüksek enerjilerde ve çok düşük frekanslarda üretilebilen bazı hadronlar (yani kuark parçacıklarının birleşimi) ve daha tam olarak gözlemlenmemiş olan “glueballs” (gluonlardan oluşan parçacıklar) henüz keşfedilememiştir. Bazı düşük frekans parçacıklarının bozunacağı da Standart Model tarafından öngörülse de veri eksikliklerinden kaynaklanan sorunlar nedeniyle tam olarak gözlemlenmemiştir.

Standart modelin bazı özellikleri özel amaçlı tarife eklenmiştir. Bunlar kendiliğinden olan sorunlar değildir, ancak anlaşılması oldukça zordur. Bu özel amaçlı özellikler kuramsal fizikçileri daha az değişkenli daha önemli kuramları bulmaya itmiştir.

Hiyerarşi Sorunu -standart model Higgs alanı yüzünden doğal simetri kırılmaları vasıtasıyla oluşan parçacık kütlelerinin olduğunu ileri sürer. Standart Model içerisinde, Higgs kütlesi sanal kütlerinin varlığından dolayı çok büyük kuantum düzeltmelerine girer. Bu düzeltmeler Higgs’in kütlesinden çok daha büyüktür. Bu durum, standart modeldeki Higgs’in yalın kütle değişkenini neredeyse tüm kuantum düzeltmelerini hükümsüz kılacak şekilde ayarlanması gerektiği anlamına gelir. Bu ince ayarlar birçok kuramsal fizikçi tarafından anormal görülmüştür.

Güçlü CP Sorunu -Kuramsal olarak, güçlü etkileşim bölgesindeki madde- karşıt madde ilişkisine dayanarak standart modelin CP simetrisi içermesi gerektiği iddia edilmiştir. Ancak, deneysel olarak, bu terimin sıfıra yakın olduğunu ileri süren bir ihlal bulunmamıştır. Bu ince ayar da anormal olarak görülür.

Değişken Sayısı – standart model 19 adet değişkene dayanır. Değerleri deneylerden ötürü bilinir ancak kaynakları asla bulunamamıştır. Bazı kuramsal fizikçiler farklı değişkenler arasında ilişki kurmaya çalışmıştır. Örneğin; farklı oluşumlardaki parçacıkların kütleleri gibi.

Standart Model’in önemli kuvvetlere karşılık gelen üç tane ölçüm simetrisi vardır; renk SU(3), zayıf eş dönüş SU(2) ve aşırı yük U(1) simetrisidir. Yeniden normalleştirmeye göre, bu simetrilerin eşleşme sabitleri ölçüldükleri enerjiye göre çeşitlilik gösterir. gibi bir değerde bu eşleşmeler yaklaşık olarak eşitlenir.

Standart Model’in üç ölçüm simetrisinin üstündeki bu enerji kurguya neden olan bir ölçüm simetrisinde basit ölçüm grubu ile birleştirilmiş bir eşleşme sabitidir. Bu enerji altında simetri kendiliğinden Standart Model simetrilerine kırılır. Birleştirici beş boyutlu SU(5) gruplar meşhur seçimlerden oluşan özel birleştirme grupları ve on boyutlu SO(10) özel dikgen gruplarıdır. Kendine özgü olarak, büyük birleştirme kuramları erken evrenin manyetik tek kutupların yaratıldığı ve protonların düzensiz olduğu zamanlarında oluştukları öngörülmüştür. İkisi de gözlemlenmemiştir ve gözlemlerin yokluğu mümkün BBK’na sınır koyar.

Süpersimetri, Lagrange çarpanlarına simetri bölümleri eklenerek Standart Model’in geliştirilmiş halidir. Bu simetriler, fermiyonik parçacıkları bozonik parçacıklarla değiştirir. Böylesi bir simetri skuark, neutralino, chargino ve slepton gibi s-parçacık adlı süpersimetrik parçacıkların varlığını öngörür. Standart Model’deki tüm parçacıklar dönüşü sıradan parçacıktan ½ kadar farklı olan süpereşe sahiptir. Süper simetri bozmasından dolayı, s-parçacıklar sıradan karşılığından çok daha ağırdır. Bu yüzden şu anki parçacık çarpıştırıcılar bu parçacıkları üretemeyebilir.

Standart modelde nötrinolar tamamen sıfır kütleye sahiptir. Bu sadece solak nötrinoları kapsayan Standart Model’in bir sonucudur. Sağlak eşlere uygun olmadığından Standart Model’e yeniden normalleştirilebilecek bir kütle terimi eklemek imkânsızdır. Ancak, nötrinoların göstergesi olan ölçümler kendiliğinden çeşitlilik gösterdiğinden nötrinoların kütlesi olduğu iması ortaya çıkar. Bu ölçüler sadece farklı çeşitlerin göreli kütlelerini verir. Nötrinoların mutlak kütlesindeki en iyi kısıtlama trityumun bozunmasındaki üst sınırı 2 eV olan kesin ölçümlerden gelir, bu durum nötrinoları Standart Model’deki en az beş büyüklükten daha hafif yapar. Nötrinoların kütlelerini nasıl kazandığını ve aynı zamanda nasıl bu kadar küçük kütleye sahip olduklarını açıklama gerekliliği Standart Model’in genişlemesine ihtiyaç duyar.

Nötrinolara kütle eklerken sözde kararsız mekanizmadan sağlak nötrino ve buna karşılık Dirac kütle teriminden solak nötrino ekleyerek yaklaşımda bulunabilir. Sağlak nötrinolar verimsiz olmak zorundadır, yani Standart Model’in hiçbir etkileşimine dahil olmamalıdır. Çünkü yükleri yoktur, ayrıca kendi karşıt parçacıkları gibi davranabilir ve Majorana kütle terimine sahip olabilirler. Standart modeldeki diğer Dirac kütleleri gibi, nötrinoların Dirac kütlelerinin de Higgs mekanizması uygun meydana gelmesi beklenir ve bu yüzden tahmin edilemezdirler. Standart Model Fermiyon kütleleri büyüklük sıralamasına göre çoğundan ayrılır; Dirac nötrino kütleleri de aynı belirsizliğe sahiptir. Sağlak nötrinolar için Majorana kütlesi Standart Model Higgsi’ne göre doğmalıdır ve bu yüzden standart modelin ötesinde yeni fiziğe göre bazı enerji çizelgelerine bağlı olmaları beklenir.Bu yüzden, sağlak nötrinoları içeren her süreç düşük enerjilerde bastırılmış olacaktır.

Bu bastırılmış süreçlere göre yapılan düzeltmeler etkili bir biçimde sağlak nötrinoların Majorana kütleli sağlak nötrinolara ters orantılı olduğu hakkında bilgi veren sözde mekanizmalardır. Ağır sağlak nötrinoların varlığı, gözlemlerdeki düşük kütleli solak nötrinoların ve sağlak nötrinoların yokluğunu açıklar niteliktedir. Ancak, Dirac nötrino kütlelerinin belirsizliği yüzünden, sağlak nötrino kütleleri her yere yayılabilirler. Örneğin, bunlar keV kadar hafif ve karanlık maddeler olabilirler, BHÇ enerji düzeyinde kütleleri olur ve gözlemlenebilir lepton sayısı ihlaline neden olabilirler ya da BBT çizelgesinde sağlak nötrinolara bağlanmış olabilirler.

Kütle terimi farklı nesil nötrinoların karışımından oluşmuştur. Parametrelerle ifade edilen karışmış, PMNS matrisi, CKM kuarkı karışmış matrisinin benzeridir. Minimal olan kuark karışmasının aksine, nötrinoların karışması neredeyse maksimal olarak görünür. Bu da karışık modellerle açıklanabilecek çeşitli kuşakların arasındaki simetrinin çeşitli kurgularına neden olur. Her ne kadar deneysel incelemeleri olmasa da, karışmış matris ayrıca CP değişmezliğinin bazı karışık fazlarını kapsayabilir. Evrenin başlarında, bu fazlar potansiyel olarak karşıt leptonlardan daha fazla lepton yaratmış olabilirler ve bu sürece leptogenez denir.

Bu asimetri baryon ve karşıt baryonların genişlemesinin dönüştürülmüş aşaması olabilirler ve evrendeki baryon asimetrisini açıklayabilirler. Hafif nötrinolar yeterli kütleye sahip olmadıklarından kayıp karanlık madde ile açıklanamazlar. Bu asimetri baryon ve karşıt baryonların genişlemesinin dönüştürülmüş aşaması olabilirler ve evrendeki baryon asimetrisini açıklayabilirler. Hafif nötrinolar yeterli kütleye sahip olmadıklarından kayıp karanlık madde ile açıklanamazlar. Dahası, yapı oluşumunun benzetimi bu maddelerin çok sıcak olduklarını ve kinetik enerjilerinin kütlelerine kıyasla çok büyük olduklarını söyler—bu yapının oluşumu evrenimizdeki galaksiler oluşurken ihtiyaç duydukları soğuk karanlık madde yapısına benzer. Benzemeler nötrinoların en iyi kayıp karanlık maddenin yüzde birkaçı olarak açıklanabileceğini gösterir. Ancak, ağır verimsiz sağlak nötrinolar karanlık madde için mümkün olan adaydır.

Kuramsal fizik, bilinen tüm fiziksel olayları tamamen ve birlikte açıklayabilmek için her şeyin kuramını bulmaya uğraşmakta ve bunun için gerekli deneyleri öngörmeye çalışmaktadır. Bu kuramın amacı ilk olarak Genel Görelilik ve Standart Model’i kuantum kütleçekimi içinde birleştirebilmektir. Buna ek olarak, kuramın diğer amaçları da parçacık kütlelerini doğru olarak öngörmek ve kuramlardaki kavramsal kusurların üstesinden gelmektir. Bu kuramda tek sorun kuramı kavramsal halde toparlamaya çalışmak değil, aynı zamanda çok yüksek enerjilerin deneysel görünüşlerinin de incelenmesi gerektiğidir. Bu konudaki dikkate değer girişimler; süper simetri, sicim kuramı ve düğüm kuantum kütleçekimidir.

Standart Model’in uzantıları, düzeltileri, değiştirmeleri ve yeniden düzenlemelerinin en uygununu bulmak için girişimlerde bulunulur. Sicim kuramı da birçok kuramsal fizikçinin düşüncesine göre Her şeyin Kuramı’na yaklaşmak için bulunmuş bu tip bir girişimdir. Düğüm kuantum kütleçekimi gibi kuantum kütleçekimi kuramları kuantum alan kuramı ve genel göreliliğin matematiksel birleşimi için umut veren kuramlar olarak düşünülür. Ancak, son çalışmalar ışık hızındaki kuantum kütleçekiminin varsayılan etkilerini sınırlamış ve kuantum kütleçekiminin bazı modellerini gözden düşürmüştür. Sicim kuramının sayısız varyantları arasında, 1995’teki bir Sicim konferansında matematiksel varlığı ilk defa sunulan M-kuramı Brian Greene, Stephen Hawking gibi fizikçiler tarafından Her şeyin Kuramı’na uygun en büyük aday gibi görülür. Yine de, tam bir matematiksel açıklama henüz bilinmemekle birlikte kuramın çözümleri sadece belirli durumlarda bulunmaktadır. Son çalışmalar ayrıca Lisa Randall’ın çalışmalarının da içinde bulunduran M-kuramının özellikleri ile test edilme yönünden eksik ve bazı alternatif sicim modelleri (Calabi-Yau çeşitliliği, birçok fazladan boyut gibi) göstermiştir.