標準模型を超える物理

標準模型の問題

標準模型はこれまでで最も成功した素粒子物理学の理論であるが、完全ではない。理論物理学者により発表されたものの大部分は、既存のデータと矛盾しないように巧妙な方法で標準模型を修正するであろう「標準模型を超えた」新しい物理学の提案の様々な形式に対する提案からなるが、提案されるであろう新たな実験の非標準模型の結果を予測することのできる不完全性に十分対処している。

観測されていない理論的予測

標準模型により予測された全ての基礎粒子の粒子衝突器における観測は確認されている。ヒッグス粒子は標準模型のヒッグス機構の説明により予測される。これは弱い SU(2)ゲージ対称性がどのように破られ、基本粒子がどのように質量を得るかを説明している。ヒッグス粒子は標準模型で観測が予測される最後の粒子である。2012年7月4日、LHCを用いるCERNの科学者は、ヒッグス粒子と一致する質量約126 GeV/c²の粒子を発見したことを発表した。ヒッグス粒子は2013年3月14日に存在することが確認されたが、標準模型により予測される全ての特性を持っていることを確認する取り組みが進行中である。
非常に低い周波数で非常に高いエネルギーでしか生成できない標準模型により存在が予測されるいくつかのハドロン（クォークからなる複合粒子）はまだ明確に観測されておらず、「グルーボール」（グルーオンからなる複合粒子）もまだ明確に観測されていない。標準模型によって予測された非常に低い周波数の粒子崩壊のいくつかも、統計的に有意な観測を行うのに十分なデータが使えないため、まだ明確に観測されていない。

大統一理論

標準模型には3つのゲージ対称性、色 SU(3)、弱アイソスピン SU(2)、弱超電荷 U(1)対称性があり、3つの基本的な力に対応している。繰り込みにより、これらの対称性の各々の結合定数は、測定されるエネルギーによって異なる。約10¹⁶ GeV でこれらの結合はほぼ等しくなる。このことにより、このエネルギーを超えると標準模型の3つのゲージ対称性が単純群のゲージ群と1つの結合定数のみで1つのゲージ対称性に統一されるという推測に至った。このエネルギーより下では対称性は標準模型の対称性に自発的に破れる。統一した群では、5次元の特別なユニタリ群SU(5)と10次元の特別な直交群SO(10)が選ばれるのが一般的である。
このように標準模型の対称性を統一する理論は大統一理論(GUT)と呼ばれ、統一された対称性が破られるエネルギースケールはGUTスケールと呼ばれる。一般的に大統一理論により初期宇宙における磁気単極子と陽子の不安定性が予測される。このどちらも観測されておらず、この観測不足は考えうるGUTに制限を課している。

超対称性

超対称性は、別のクラスの対称性をラグランジアンに加えることで標準模型を拡張させる。これらの対称性は、フェルミ粒子をボース粒子と入れ替える。このような対称性により、スフェルミオン、スクォーク、ニュートラリーノ、チャージーノなど超対称性粒子の存在を予測される。標準模型の各粒子にはスピンが通常の粒子と1/2異なる超パートナーがあるであろう。超対称性の破れにより、この粒子は通常の粒子よりずっと重い。非常に重いため、既存の粒子衝突器の強さでは十分ではない可能性がある。

ニュートリノ

標準模型において、ニュートリノの質量はきっかり0である。これは左巻きニュートリノのみを含む標準模型の結果である。適切な右巻きのパートナーがない場合、標準模型に繰り込み可能な質量項を追加することはできない。しかし、測定によりニュートリノは自発的にフレーバーを変化させることが示され、このことはニュートリノに質量があることを意味する。これらの測定は異なるフレーバー間の質量差のみを示す。ニュートリノの絶対質量に対する最も良い制約は、三重水素崩壊の正確な測定から得られ、上限2eVを提供し、これは標準模型の他の粒子よりも少なくとも5桁軽い。これには標準模型の拡張が必要であり、ニュートリノが質量を得る方法を説明するだけでなく、質量が非常に小さい理由も説明する必要がある。
ニュートリノに質量を加える1つのアプローチである所謂シーソー機構は、右巻きニュートリノを追加しこれらの対をディラック質量項で左巻きニュートリノに結合させることである。右巻きのニュートリノはステライルでなくてはならず、これは標準模型相互作用のいずれにも関わっていないことを意味する。電荷を持たないことから右巻きニュートリノは自身の反粒子として振る舞い、マヨラナ質量項を持つことができる。標準模型における他のディラック質量と同様、ニュートリノのディラック質量はヒッグス機構を介して生成されることが期待されるため、予測できない。標準模型のフェルミ粒子の質量は桁違いに異なる。ディラックのニュートリノ質量には少なくとも同じ不確実性がある。その一方、右巻きニュートリノのマヨラナ質量はヒッグス機構から生じるものではないため、それゆえ例えばプランクスケールなど標準模型を超える新たな物理学のエネルギースケールに結び付けられることが期待される。したがって、右巻きニュートリノ含むあらゆる過程は低エネルギーでは抑えられるだろう。これらの抑えられた過程による補正は、左巻きニュートリノに右巻きマヨラナ質量に反比例する質量を実際上与え、これはシーソーとして知られる機構である。これにより、重い右巻きニュートリノの存在は左巻きニュートリノの小さい質量と観測における右巻きニュートリノの不在の両方を説明する。しかし、ディラックニュートリノの質量の不確実性により右巻きニュートリノの質量はいたるところにある可能性がある。例えば、これらはkeVと同じくらい軽く暗黒物質である可能性があり、LHCのエネルギー範囲に質量を持ち、観測可能なレプトン数の違反につながる可能性がある。もしくは、それらはGUTスケールに近く、右巻きニュートリノを大統一理論の可能性に結び付けることができる可能性もある。
質量項は異なる世代のニュートリノを混ぜ合わせる。この混合は、CKMクォーク混合行列のニュートリノの類推であるPMNS行列によりパラメータ化される。ほとんどが最小のクォーク混合と異なり、ニュートリノの混合はほとんどが最大と考えられる。これによ混合パターンを説明できる様々な世代間の対称性についての様々な推論がもたらされた。混合行列にはCP不変性を破るいくつかの複雑な段階を含めることもできるが、これらの実験的調査はない。これらの段階では初期宇宙で反レプトンよりも多くのレプトンが生成される可能性があり、これはレプトン生成(leptogenesis)として知られる過程である。この非対称性は後の段階で反バリオンを超える過剰なバリオンに変換され、宇宙における物質と反物質の非対称性を説明することができる。
軽いニュートリノは初期宇宙での大規模な構造形成を考慮しているため、暗黒物質の観測の説明としては好まれない。構造形成のシミュレーションは、熱すぎることを示している。—つまり、それらの運動エネルギーは質量に比べ大きい—その一方で我々の宇宙の銀河に似た構造の形成には冷たい暗黒物質が必要である。シミュレーションにおいて、ニュートリノがせいぜい失っている暗黒物質の数パーセントしか説明できないことが示されている。しかし、重いステライル右巻きニュートリノは、暗黒物質WIMPの見込みの高い候補として考えられている。

プレオン模型

クォークとレプトンには3つの世代があるという事実に関する未解決問題を処理するために、プレオン模型がいくつか提案されている。プレオン模型は通常、いくつか追加の新たな粒子を仮定する。これらの粒子はさらに結合して標準模型のクォークとレプトンを形成すると仮定されている。初期のプレオン模型の1つはRishon模型である。
今日までに広く受け入れられるもしくは完全に検証されたプレオン模型はない。

万物の理論

理論物理学は万物の理論、全ての既知の物理現象を完全に説明し結びつけ原理的に実行できる実験結果を予測する理論に向けて戦い続けている。実際的にはこの点に関する当面の目標は量子重力理論において標準模型と一般相対性理論を統一する理論を発展することである。粒子質量の理論もしくは正確な予測のいずれかの概念的欠陥を克服するなどの付加的な特徴が望まれる。このような理論をまとめる際の課題は、概念的なものだけではない。そこには新奇な領域を探るのに必要な非常に高いエネルギーの実験的側面が含まれる。
この方向のいくつかの注目すべき試みは、超対称性、ひも理論、ループ量子重力である。

ひも理論

これらや他の問題を正確にするために、標準模型の拡張、修正、置換、再編成が存在する。ひも理論はこのような再発明の1つであり、多くの理論物理学者がこのような理論が真の万物理論に向かう次の理論的段階と考えている。ループ量子重力などの量子重力理論は、場の量子論と一般相対性理論の数学的統一の有望な候補と考えられており、既存の理論に対して大幅な変更はそれほど必要ではない。しかし、近年の研究では光速における量子重力の推定される効果に厳しい制限を設けており、現在の量子重力モデルのいくつかを疎んじている。
ひも理論の多くの変形の中でも1995年のString Conferenceで最初に数学的存在が提案されたM理論は、多くの人、特にブライアン・グリーンとスティーヴン・ホーキングにより適切な万物理論であると考えてられている。完全な数学的記述はまだ未知であるが、特殊なケースでは理論への解決策が存在する。近年の研究では代わりのひも模型も提案されており、そのいくつかはM理論の様々な試験が難しい特徴（例えば、カラビ・ヤウ多様体の存在、多くの余剰次元など）を持っていない。リサ・ランドールなど頻繁に論文を発表している物理学者による研究もある。