標準模型を超える物理
標準模型を超える物理(ひょうじゅんもけいをこえるぶつり、Physics beyond the Standard Model, BSM)とは、標準模型では説明できない強いCP問題、ニュートリノ振動、物質-反物質非対称性(英語版)、暗黒物質やダークエネルギーの性質などを説明するために必要な理論の拡張のことをいう。さらには標準模型の数学的枠組み自体にある問題を解決するための拡張がある。標準模型と一般相対性理論の数学的枠組みは、特定の条件化では(例えばビッグバンやブラックホールの事象の地平線のようなすでに知られた時空の特異点において)一方もしくは両方の理論が破綻するという矛盾を抱えている。
標準模型を超えた理論には、最小超対称標準模型(英語版) (MSSM) や次最小超対称標準模型(英語版) (NMMSM) など超対称性による標準模型の様々な拡張や、弦理論、M理論、余剰次元など全く新たな説明がある。これらの理論はいずれも現在知られている現象全てを再現する傾向はある。いずれかの理論が正しいものなのか、もしくは万物の理論に至る途中過程として「最良」であるのはいずれかといった問題は実験によってのみ解決できる。
標準模型を超える物理は理論物理学と実験物理学の両方で活発な研究分野の1つである。
素粒子物理学における発見の閾値と広く考えられている5シグマレベルで標準模型と明確に矛盾するとの実験結果は認められていない。しかし、全ての実験がある程度の統計的・系統的不確実性を含み理論的予測自体も正確に計算されることはほとんどなく標準模型の基本定数の測定における不確実性の影響を受けるため(影響が小さいものもあれば、相当大きいものもある)、たとえ発見すべき新たな物理学が存在しないとしても、何百もの実験的検証結果のうちいくつかは標準模型からある程度逸することが予想される。
ある瞬間には標準模型の期待値とは大きく異なるいくつかの実験結果が存在するが、より多くのデータが収集されているにつれて、統計的ゆらぎもしくは実験的誤差であることが明らかになってくる。一方では、標準模型を超えた物理は実験的予測と理論的予測の間の統計的に有意な違いとして必ず最初に実験上出現するであろう。
いずれの場合でも物理学者たちは結果が単なる統計上ゆらぎや実験的誤差であるのかはたまた新たな物理学の兆候であるのかを判断しようとする。統計的により有意な結果は単なる統計的な誤りということはありえないが、実験誤差もしくは実験精度の不正確な推定から生じることはある。多くの場合、実験は標準模型と代替の理論を区別できるであろう実験結果に対して敏感であるように調整されている。
注目すべき例には次のようなものがある。
陽子半径問題 – 標準模型は普通の水素の原子半径の大きさ(陽子-電子系)とミューオニック水素の原子半径の大きさ(ミュー粒子が電子の重い変種として振舞う陽子-ミュー粒子系)に関して正確な理論的予測をする。