Melangkaui
Model Piawai

Model Piawai ialah model fizik paling berjaya sepanjang zaman — dan pada masa yang sama jelas tidak lengkap. Ia tidak menerangkan jirim gelap, tidak menerangkan graviti, tidak menerangkan dominasi jirim dalam alam semesta.

Apa yang tiada

Masalah terbuka dalam Model Piawai

Model Piawai menerangkan semua zarah asas yang diketahui dan tiga daripada empat daya asas dengan ketepatan yang menakjubkan. Momen magnet anomali muon telah diramalkan pada tahap bahagian-per-juta — walaupun ketegangan yang belum terselesaikan masih wujud antara pelbagai kaedah pengiraan teori. Jisim boson Higgs telah dihadkan secara teori sejak akhir 1970-an, kira-kira 35 tahun sebelum penemuannya. Ia merupakan salah satu teori yang paling banyak diuji dalam sains.

Namun begitu, ahli fizik tahu bahawa ia tidak lengkap. Bukan kerana eksperimen telah memalsukannya — tetapi kerana model ini tidak memberikan jawapan kepada soalan-soalan penting dalam kosmologi dan fizik. Sekurang-kurangnya enam jurang asas diketahui:

Graviti tiada

Model Piawai tidak menggabungkan graviti kuantum. Teori Relativiti Am dan teori medan kuantum tidak serasi.

Jirim gelap

27 % daripada alam semesta terdiri daripada jirim yang berinteraksi secara graviti tetapi tidak memancarkan cahaya. Tiada zarah Model Piawai yang sepadan.

Tenaga gelap

68 % daripada alam semesta terdiri daripada tenaga misteri yang mempercepatkan pengembangan. Model Piawai tidak menyatakan apa-apa tentangnya.

Jirim-antijirim

Pelanggaran CP yang diketahui adalah terlalu lemah beberapa peringkat magnitud untuk menerangkan dominasi jirim dalam alam semesta.

Jisim neutrino

Neutrino mempunyai jisim — dibuktikan oleh ayunan neutrino. Model Piawai asal tidak meramalkan jisim neutrino.

Masalah hierarki

Jisim Higgs secara kuantum sangat tidak stabil terhadap pembetulan. Mengapakah ia tidak menjadi sangat besar secara astronomi?

Calon-calon

Teori-teori melangkaui Model Piawai

S̃

Supersimetri (SUSY)

SUSY mendalilkan simetri antara boson dan fermion: setiap zarah Model Piawai mendapat "superpartner" dengan spin bertentangan. Squark, slepton, gluino. Zarah supersimetri paling ringan akan stabil dan boleh menerangkan jirim gelap. Selain itu, SUSY menyelesaikan masalah hierarki dengan elegan. Setakat ini, tiada superpartner yang ditemui.

∞

Teori tali

Berbanding zarah bertitik, teori tali menganggap tali bergetar sedimensi sebagai objek asas. Mod getaran tali yang berbeza sepadan dengan zarah yang berbeza. Teori tali secara semula jadi mengandungi zarah spin-2 tidak berjisim — graviton — dan boleh menerangkan graviti kuantum. Ia memerlukan 10 atau 11 dimensi ruang, yang selebihnya "dipadatkan".

⊕

Teori Penyatuan Agung (GUTs)

GUTs menyatukan tiga daya Model Piawai (kuat, lemah, elektromagnet) dalam satu kumpulan tara seperti SU(5) atau SO(10). Pada tenaga sekitar 10¹⁶ GeV, semua pemalar gandingan sepatutnya bertemu. GUTs meramalkan peruraian proton — belum diperhatikan setakat ini. Ia juga boleh menerangkan ketidaksimetrian jirim-antijirim.

↺

Graviti kuantum gelung (LQG)

Satu pendekatan alternatif untuk mengkuantumkan graviti tanpa tali. Dalam LQG, ruang itu sendiri dikuantumkan — ia terdiri daripada "rangkaian spin" diskret, yang evolusi masanya diterangkan sebagai "spinfoam". Tiada ruang selanjar pada skala Planck (10⁻³⁵ m). LQG membuat ramalan yang berbeza daripada teori tali untuk kesan graviti kuantum dan boleh diuji melalui letupan sinar gama atau polarisasi CMB.

Jirim gelap

Apa yang sebenarnya membentuk alam semesta

Hanya 5 % daripada alam semesta terdiri daripada jirim boleh nampak yang diterangkan oleh Model Piawai. 27 % ialah jirim gelap — satu bentuk jirim yang berinteraksi secara graviti tetapi tidak memancar, menyerap atau memantulkan cahaya. 68 % ialah tenaga gelap — kesan anti-graviti misteri yang mempercepatkan pengembangan alam semesta.

Tenaga gelap: 68 %

Pemalar kosmologi Λ · asal-usul tidak diketahui

Jirim gelap: 27 %

WIMPs · Axion · neutrino steril · lohong hitam primordial

Jirim baryonik: 5 %

Semua yang diterangkan oleh Model Piawai

Calon terkuat untuk jirim gelap ialah WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) — zarah hipotesis yang hanya berinteraksi melalui daya lemah dan graviti. Walaupun berdekad-dekad dicari melalui eksperimen pengesanan langsung (LZ/LUX-ZEPLIN, XENON, PandaX), tiada WIMP yang ditemui setakat ini. Ini mengecualikan julat parameter yang besar, tetapi masih meninggalkan banyak kemungkinan terbuka.

Prospek

Masa depan fizik zarah

Generasi eksperimen seterusnya menjanjikan pandangan baharu: High-Luminosity LHC (HL-LHC) dijangka meningkatkan kadar perlanggaran secara drastik mulai 2030 dan membuka akses kepada proses jarang. Cadangan pemecut baharu boleh menghasilkan fizik baharu secara langsung: FCC (Future Circular Collider, lilitan terowong dirancang ~91 km) disasarkan mencapai skala tenaga sehingga 100 TeV pada peringkat akhirnya, FCC-hh; manakala ILC (International Linear Collider) pula dirancang sebagai "kilang Higgs" berketepatan pada 250 hingga maksimum kira-kira 500 GeV sehingga 1 TeV, bukan pada julat 100 TeV.

Pengesan gelombang graviti (LIGO, LISA), teleskop neutrino (IceCube), misi sinaran latar kosmik dan pengesan jirim gelap langsung membuka tingkap baharu. Penemuan besar seterusnya dalam fizik zarah mungkin datang sama ada melalui pemecut atau melalui instrumen pemerhatian kosmik.

Model Piawai akan terus menjadi rangka kerja — tetapi ia adalah rangka kerja yang menunggu penambahan. Persoalannya bukan sama ada, tetapi bila dan fizik baharu yang mana akan ditemui. Setiap pengukuran di LHC, setiap pandangan ke dalam kedalaman angkasa, setiap pengesan jauh di bawah tanah adalah satu lagi kepingan dalam teka-teki teori alam semula jadi yang lebih mendalam.

Matlamat

Ahli fizik bermimpi tentang "teori segala-galanya" — satu rangka kerja matematik tunggal yang menerangkan keempat-empat daya asas, semua zarah dan struktur ruang serta masa dalam satu teori koheren. Sama ada ini boleh dicapai, tiada siapa yang tahu. Namun pencarian itu sendiri telah pun memberikan pandangan paling mendalam tentang hakikat realiti yang pernah dimiliki oleh manusia.