Standart modelin ötesindeki fizik

Standart model’in ötesindeki fizik ile Standart modeldeki kütlenin kökeni, güçlü CP problemi, nötrino salınımı, madde-karşıt madde 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.

Standart Modelle İlgili Sorunlar

Parçacık fiziğinin, şu ana kadarki en başarılı kuramı olmasına rağmen, Standart Model kusursuz değildir. Standart Model’in Ötesinin çeşitli biçimleri için kuramsal fizikçilerin yayınladığı birçok çıktıda farklı önerilerde bulunulmuş, Standart Modeli değiştirebilmek için daha incelikli bilgileri olan yeni fizik önergeleri sunulmuştur, ancak  yeni deneylerde Standart Modele uymayan sonuçlar da üretilmiştir

Gözlemlenmemiş Kuramsal Öngörüler

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 126 GeV/c² 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.

Birleştirme Kuramları

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.10¹⁶ GeV 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

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.

Nötrinolar

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 imkansızdır. 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 madde-karşıt madde 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 madde-karşıt madde 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.

Her Şeyin Kuramı

Her şeyin Kuramı
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 kütle çekimi 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 kütle çekimidir.

Sicim Kuramı

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 kütle çekimi gibi kuantum kütle çekimi kuramları kuantum alan kuramı ve genel göreliliğin matematiksel birleşimi için umut veren kuramlar olarak düşünülür.Ancak, son çalışmalar ışık hızındaki kuantum kütle çekiminin varsayılan etkilerini sınırlamış ve kuantum kütle çekiminin 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.