Теория струн и стандартная модель в ЦЕРН

Как и во многих дискуссиях о теории струн, иногда полезно вспомнить некоторые факты:

Механизм Хиггса был предложен более 50 лет назад. По сравнению с полноценными теориями, такими как теория струн, механизм Хиггса представляет собой крошечное дополнение к наблюдаемой стандартной модели (какой она была тогда). Эксперименту понадобилось 50 лет, чтобы увидеть его, и, по сути, пока это только первый взгляд на него. В течение 50 лет механизм Хиггса оставался предположением, не подтвержденным экспериментом. За этим стояло все теоретическое обоснование, все теории указывали на то, что это правда, но это нельзя было проверить экспериментально в течение долгих 50 лет. В течение 50 лет вы могли свободно снимать телевизионные документальные фильмы о физике элементарных частиц, не упоминая о механизме Хиггса, если считали это предложение слишком диковинным, чтобы иметь шанс быть подтвержденным. Затем, наконец, эксперимент достиг своего энергетического масштаба, и вот оно. 50 лет спустя.

Как вы все знаете, есть мыслимые сценарии, в которых физика, выходящая за рамки стандартной модели, находится прямо за углом, но ничто не исключает того, что потребуется еще 50 лет, чтобы увидеть следующую часть «новой физики». Это просто факт нашей короткой жизни.

Но это не обязательно так плохо, как может показаться. Хотя «новая физика» может оставаться спекулятивной в течение долгого времени, следует принять к сведению хорошо хранимый секрет: даже старая физика еще не полностью понята . Здесь может помочь теория струн, и теоретики знают об этом (хотя телеканалы, возможно, еще не получили сообщения).

Например, вычисление амплитуд рассеяния даже в известной и подтвержденной стандартной модели все еще остается сложной задачей, если только вы достаточно амбициозны. Теория струн помогла понять некоторые тонкие моменты простой теории возмущений Янга-Миллса. См. ссылки на применение теории струн в другом месте -- Амплитуды рассеяния КХД . В частности, ознакомьтесь с замечательной историей, связанной с этим, рассказанной Мэтью Штрасслером в его посте «От теории струн до большого адронного коллайдера »., в котором рассказывается о том, как понимание теории струн амплитуд рассеяния КХД помогло повысить точность вычислений петель до уровня, когда стало возможным отделить сигнал от фона в LHC. Он цитирует людей, которые говорили, что без этих открытий в теории струн бозон Хиггса мог бы быть создан, но не идентифицирован на БАК. Посмотрите, это интересная история.

Еще один момент, возможно, стоит помнить время от времени: хотя мы все любим заявлять, что понимаем физику фундаментальных частиц через квантовую теорию Янга-Миллса, на самом деле квантовая теория Янга-Миллса все еще остается открытой теоретической проблемой. Мы знаем, что не понимаем некоторых очень фундаментальных фактов о квантуме Янга-Миллса. Это «проблема тысячелетия» существования Янга-Миллса и массового разрыва .

Итак, одна вещь, которой стала теория струн после своей «второй революции», — это что-то вроде карты пространства теорий подобного поля Янга-Миллса и различных «дуальных» теорий. С помощью физики D-бран, KK-редукции, AdS/CFT и т. д. Теории, подобные Янгу-Миллсу, появляются в различных обличьях в различных уголках теории струн, и их встраивание в теорию струн геометрически объясняет тонкую эквивалентность между ними, например электрическую/магнитную двойственность и т. д. Если вы не видели его раньше, загляните на http://ncatlab.org/nlab/show/gauge+theory+from+AdS-CFT+--+tableпо крайней мере, часть этой теоретико-струнной «карты» пространства квантовых теорий поля связана с теорией Янга-Миллса. Хотя это еще не решило проблему разрыва масс, ясно, что можно почувствовать, что здесь медленно, но верно исследуется более глубокая природа теории Янга-Миллса.

Изюминка здесь следующая: помимо того, что она является основой для моделей квантовой гравитации и калибровочной унификации, теория струн является частью теоретической физики, которая проливает свет на природу квантовой теории поля как таковой. В то время как экспериментаторы и средства массовой информации заняты изучением физики Хиггса сейчас, когда они ждали полвека, возможно, теоретики могут использовать время до следующего ускорителя, чтобы сделать шаг назад и немного больше подумать о все еще открытых более фундаментальных проблемах квантовой физики. . Вот где теория струн уже помогла и, я думаю, поможет в будущем. Конечно, вы не увидите это по общественному телевидению.

(Вообще, в наши дни удивительно, как не только средства массовой информации, но и внимание широкой общественности постоянно привлекают поверхностные и игнорирующие глубокие достижения, которые действительно происходят в фундаментальной физике. конкурс сочинений о брандмауэрах, но действительно интересные достижения, такие как, например, настоящая математическая характеристика вакуума теории струн, здесь остаются темой узкой группы специалистов, в то время как у всех есть свое мнение о «ландшафте», а у всех остальных имеет противоположное мнение. Вместо этого необходима более приличная теоретическая работа по основам квантовой теории поля и, неизбежно, теории струн.)

Стандартная модель — это квантовая теория поля, которая объясняет почти все, что мы знаем, кроме гравитации, и с ее помощью можно проводить очень точные вычисления (даже более точные, теперь, когда мы знаем массу бозона Хиггса). Однако есть веские основания полагать, что гравитация не может быть включена в квантовую теорию поля.

Теория струн пытается включить гравитацию и стандартную модель в Теорию всего, и предполагается, что она предскажет все, если вы сможете найти правильный способ сложения дополнительных измерений. Однако существует так много возможных способов сложить их, что в настоящее время он не может предсказать ничего из того, что можно реально измерить с помощью текущих или ближайших экспериментов, а некоторые люди считают, что он никогда не сможет этого сделать. Не все верят, что Теория струн — правильная Теория Всего, но никто не придумал другого общепринятого способа совмещения теории гравитации и квантовой теории поля.

Я думаю, что добавлю свои два бита как экспериментатор.

Стандартная модель — это не результат глубоких размышлений блестящих физиков, выработавших теоретическую самосогласованную формулировку, которая чудесным образом соответствовала данным. Это результат сильного взаимодействия между экспериментами и предварительными моделями, которые объединились в то, что сейчас является стандартной моделью . При его создании он включил большое количество констант из экспериментальных данных, потому что теория содержит ряд неизвестных констант. В самом прямом смысле стандартная модель является кратким изложением почти всех известных данных физики элементарных частиц, некоторые из которых включены, некоторые предсказаны, и в то же время она способна предсказывать с помощью расчетов еще не измеренные явления. Этого вполне достаточно для энергий, доступных нам до сих пор на БАК.

Есть признаки того, что Стандартная Модель не может описать все в элементарных частицах даже при таких низких энергиях, как и при некоторых СР-нарушениях .

Теория идет своим путем: теоретики не удовлетворены феноменологическим успехом СМ, так как при достаточно высоких энергиях расчеты срываются из-за незавернутых бесконечностей. Еще до струн и суперсимметрии теории струнрассматривался как привлекательное решение для разрешения бесконечностей при высоких энергиях, присущих СМ. В то же время благодаря космологическим данным теоретики стремятся к квантованию и последовательному объединению всех четырех сил на многих фронтах. Теория струн имеет необходимые групповые структуры для соответствия СМ и суперсимметрии (зеркало СМ еще предстоит увидеть экспериментально) и способна включить гравитацию во всю схему. На данный момент это единственная схема, способная все это сделать. Усердно работающие феноменологи пытаются предсказать эффекты при энергиях БАК, но пока безуспешно, поскольку СМ достаточно, чтобы объяснить все, что было измерено (или опубликовано, возможно, впереди еще много интересного).

Как инженер вы поймете, что экспериментаторы следуют чертежам СМ, выискивая несоответствия, чтобы объявить о новой физике. На данный момент их нет, поэтому большинство из них не говорят о струнах, хотя есть группы, проверяющие феноменологические предсказания по большим дополнительным измерениям в теории струн.

Целевая энергия столкновения 14 ТэВ для LHC наиболее подходит для исследования физики в электрослабом масштабе около 246 ГэВ и несколько выше. На данный момент с помощью зондированной LHC энергии 8 ТэВ и с учетом анализа данных, проведенных до сих пор, стандартная модель, кажется, работает довольно хорошо в этих масштабах, поэтому кажется естественным параметризовать наблюдения стандартной моделью до тех пор, пока не появится новая физика. появляется.

Однако теория струн — это, прежде всего, теория квантовой гравитации, и ее значительные наблюдаемые эффекты наиболее естественно проявляются в масштабе квантовой гравитации, который намного выше (около планковского масштаба около$10^{19}$ГэВ), чем по шкале непосредственно достижимой энергии LHC.

Тем не менее, вполне может быть, что теория струн и другая физика BSM с более высокими энергиями имеет низкоэнергетические эффекты, которые в принципе можно наблюдать на LHC. Феноменология высоких энергий — это часть физики элементарных частиц, которая пытается предсказать такие эффекты. Например , струнная феноменология является растущей отраслью, и в этой статье дается несколько более широкий обзор потенциально наблюдаемых низкоэнергетических феноменологических эффектов физики планковского масштаба.

С технической точки зрения стандартная модель является хорошей эффективной теорией для описания физики в электрослабом масштабе, и ожидается, что она будет связана перенормировкой с более общей теорией (например, теорией струн), необходимой для описания физики в масштабе Планка. Любая унифицированная теория, которая хоть сколько-нибудь хороша, должна в принципе быть способна воспроизвести стандартную модель как эффективную теорию.

Чтобы перейти к сути дела, поскольку ТВО или шкала квантовой гравитации (где сила гравитации, как ожидается, станет сравнимой с тремя другими силами) сильно отделены от шкалы энергий, исследованной БАК до сих пор, и нет сильных намеков на новые физика появилась до сих пор, я согласен с Мэттом Страсслеромчто в текстах о ЦЕРНе и БАК, рассчитанных на неспециалистов, лучше сосредоточиться на физике стандартных моделей. Но это не означает, что заниматься физикой BSM, чтобы попытаться понять, как фундаментально работает наша Вселенная, и искать намеки на это не важно, и, как прекрасно объясняет Урс Шрайбер, теория струн даже полезна для выполнения стандартных модельных расчетов, которые были бы невозможны. без этих инсайтов. И, как говорит Любош в комментарии (если я правильно его понял), поскольку теория струн в принципе содержит стандартную модель как эффективную теорию в электрослабом масштабе, попытка применить расчеты чистой теории струн к наблюдениям на БАК — это просто более сложная репараметризация.

Конечно, такие книги, как Элегантная Вселенная, на которую ссылается этот вопрос (которую эксперты считают хорошей), также имеют право на существование, чтобы дать людям, интересующимся физикой BSM, квантовой гравитацией, черными дырами, космологией ранней Вселенной и т. д., хорошее введение. к возможному способу описания этих вещей теоретически.

Теория струн сама по себе не может выполнять почти никаких практических вычислений. Например, вы не можете предсказать, какова вероятность образования мюонов под определенными углами от сталкивающихся электронов с помощью теории струн — никто не знает, как это сделать.

Однако некоторые люди утверждают, что в большинстве случаев ST сводится к стандартной модели. Однако он не был явно рассчитан.

Итак, обычные физики говорят, что они используют стандартную модель, и они используют стандартную модель, в то время как теоретики струн используют стандартную модель и говорят, что они используют теорию струн.