Modèle standard - Standard Model

Le modèle standard de la physique des particules est la théorie décrivant trois des quatre forces fondamentales connues (les interactions électromagnétiques , faibles et fortes , tout en omettant la gravité ) dans l' univers , ainsi que la classification de toutes les particules élémentaires connues . Il a été développé par étapes tout au long de la seconde moitié du 20e siècle, grâce aux travaux de nombreux scientifiques du monde entier, la formulation actuelle étant finalisée au milieu des années 1970 après la confirmation expérimentale de l'existence des quarks . Depuis lors, la confirmation du quark top (1995), du neutrino tau (2000) et du boson de Higgs (2012) ont ajouté une crédibilité supplémentaire au modèle standard. De plus, le modèle standard a prédit diverses propriétés des courants neutres faibles et des bosons W et Z avec une grande précision.

Bien que le modèle standard soit considéré comme théoriquement cohérent et ait démontré d'énormes succès dans la fourniture de prédictions expérimentales , il laisse certains phénomènes inexpliqués et ne constitue pas une théorie complète des interactions fondamentales . Il n'explique pas entièrement l' asymétrie baryonique , n'intègre pas toute la théorie de la gravitation telle que décrite par la relativité générale , ou ne rend pas compte de l' expansion accélérée de l'Univers telle que possiblement décrite par l'énergie noire . Le modèle ne contient aucune particule de matière noire viable possédant toutes les propriétés requises déduites de la cosmologie observationnelle . Il n'intègre pas non plus les oscillations des neutrinos et leurs masses non nulles.

Le développement du modèle standard a été conduit par des physiciens théoriques et expérimentaux des particules. Pour les théoriciens, le modèle standard est un paradigme d'une théorie quantique des champs , qui présente un large éventail de phénomènes, notamment la brisure spontanée de la symétrie , les anomalies et le comportement non perturbatif. Il est utilisé comme base pour construire des modèles plus exotiques qui incorporent des particules hypothétiques , des dimensions supplémentaires et des symétries élaborées (telles que la supersymétrie ) dans le but d'expliquer des résultats expérimentaux en désaccord avec le modèle standard, tels que l'existence de matière noire et de neutrinos. oscillatoires.

Contexte historique

En 1954, Chen Ning Yang et Robert Mills ont étendu le concept de théorie de jauge pour les groupes abéliens , par exemple l'électrodynamique quantique , aux groupes non abéliens pour fournir une explication des interactions fortes . En 1957, Chien-Shiung Wu démontra que la parité n'était pas conservée dans l' interaction faible . En 1961, Sheldon Glashow a combiné les interactions électromagnétiques et faibles . En 1967, Steven Weinberg et Abdus Salam ont incorporé le mécanisme de Higgs dans l' interaction électrofaible de Glashow , lui donnant sa forme moderne.

On pense que le mécanisme de Higgs donne naissance aux masses de toutes les particules élémentaires du modèle standard. Cela inclut les masses des bosons W et Z , et les masses des fermions , c'est-à-dire les quarks et les leptons .

Après la découverte des courants faibles neutres provoqués par l' échange du boson Z au CERN en 1973, la théorie électrofaible est devenue largement acceptée et Glashow, Salam et Weinberg ont partagé le prix Nobel de physique 1979 pour sa découverte. Les bosons W ± et Z 0 ont été découverts expérimentalement en 1983 ; et le rapport de leurs masses s'est avéré être celui prévu par le modèle standard.

La théorie de l' interaction forte (c'est-à-dire la chromodynamique quantique , QCD), à laquelle beaucoup ont contribué, a acquis sa forme moderne en 1973-1974 lorsque la liberté asymptotique a été proposée (un développement qui a fait de la QCD l'axe principal de la recherche théorique) et les expériences ont confirmé que la les hadrons étaient composés de quarks à charge fractionnelle.

Le terme « modèle standard » a été inventé pour la première fois par Abraham Pais et Sam Treiman en 1975, en référence à la théorie électrofaible à quatre quarks.

Contenu particulaire

Le modèle standard comprend des membres de plusieurs classes de particules élémentaires, qui à leur tour peuvent être distinguées par d'autres caractéristiques, telles que la charge de couleur .

Toutes les particules peuvent être résumées comme suit :

Particules élémentaires
Fermions élémentairesDemi-entier rotationObéir aux statistiques de Fermi-Dirac Les bosons élémentairesSpin d' entierObéissez aux statistiques de Bose-Einstein
Quarks et antiquarksTourner = 1/2Avoir une charge de couleurParticiper à des interactions fortes Leptons et antileptonsTourner = 1/2Pas de frais de couleurInteractions électrofaibles Les bosons de jaugeTourner = 1Transporteurs de force Bosons scalairesTourner = 0
Trois générations
  1. Haut (u),
    Bas (d)
  2. Charme (c),
    Étrange (s)
  3. Haut (t),
    Bas (b)
Trois générations
  1. Électron (
    e
    ),  [†]
    Neutrino électronique (
    ??
    e
    )
  2. Muon (
    ??
    ),
    neutrino muonique (
    ??
    ??
    )
  3. Tau (
    ??
    ),
    neutrino tau (
    ??
    ??
    )
Quatre sortes
  1. Photon
    (
    ??
    ; interaction électromagnétique )
  2. bosons W et Z
    (
    W+
    ,
    W
    ,
    Z
    ; interaction faible )
  3. Huit types de gluons
    (
    g
    ; interaction forte )
Boson de

Higgs unique (
H0
)

Remarques :
[†] Un anti-électron (
e+
) est classiquement appelé « positron ».

Fermions

Le modèle standard comprend 12 particules élémentaires de rotation 1 / 2 , connu sous le nom fermions . D'après le théorème de spin-statistique , les fermions respectent le principe d'exclusion de Pauli . Chaque fermion a une antiparticule correspondante .

Les fermions sont classés en fonction de la façon dont ils interagissent (ou de manière équivalente, selon les charges qu'ils portent). Il y a six quarks ( haut , bas , charme , étrange , haut , bas ) et six leptons ( électron , neutrino électronique , muon , neutrino muon , tau , neutrino tau ). Chaque classe est divisée en paires de particules qui présentent un comportement physique similaire appelé génération (voir le tableau).

La propriété déterminante des quarks est qu'ils portent une charge de couleur et interagissent donc via l' interaction forte . Le phénomène de confinement de la couleur fait que les quarks sont très fortement liés les uns aux autres, formant des particules composites de couleur neutre appelées hadrons qui contiennent soit un quark et un antiquark ( mésons ), soit trois quarks ( baryons ). Les baryons les plus légers sont le proton et le neutron . Les quarks sont également porteurs d' une charge électrique et d'un faible isospin . Par conséquent, ils interagissent avec d'autres fermions via l' électromagnétisme et l' interaction faible . Les six fermions restants ne portent pas de charge de couleur et sont appelés leptons. Les trois neutrinos ne portent pas non plus de charge électrique, leur mouvement n'est donc directement influencé que par la faible force nucléaire et la gravité, ce qui les rend notoirement difficiles à détecter. En revanche, en portant une charge électrique, l'électron, le muon et le tau interagissent tous électromagnétiquement.

Chaque membre d'une génération a une masse plus importante que la particule correspondante de toute génération précédente. Les particules chargées de première génération ne se désintègrent pas, c'est pourquoi toute la matière ordinaire ( baryonique ) est constituée de telles particules. Plus précisément, tous les atomes sont constitués d'électrons en orbite autour de noyaux atomiques , finalement constitués de quarks up et down. D'autre part, les particules chargées de deuxième et troisième génération se désintègrent avec des demi-vies très courtes et ne sont observées que dans des environnements à très haute énergie. Les neutrinos de toutes les générations ne se désintègrent pas non plus et envahissent l'univers, mais interagissent rarement avec la matière baryonique.

Les bosons de jauge

Interactions dans le modèle standard. Tous les diagrammes de Feynman du modèle sont construits à partir de combinaisons de ces sommets. q est n'importe quel quark, g est un gluon, X est n'importe quelle particule chargée, γ est un photon, f est n'importe quel fermion, m est n'importe quelle particule de masse (à l'exception possible des neutrinos), m B est n'importe quel boson de masse. Dans les diagrammes avec plusieurs étiquettes de particules séparées par / une étiquette de particule est choisie. Dans les diagrammes avec des étiquettes de particules séparées par | les étiquettes doivent être choisies dans le même ordre. Par exemple, dans le cas des quatre bosons électrofaibles, les diagrammes valides sont WWWW, WWZZ, WWγγ, WWZγ. Le conjugué de chaque sommet répertorié (inversant le sens des flèches) est également autorisé.

Dans le modèle standard, les bosons de jauge sont définis comme des porteurs de force qui interviennent dans les interactions fondamentales fortes, faibles et électromagnétiques .

Les interactions en physique sont les façons dont les particules influencent d'autres particules. Au niveau macroscopique , l'électromagnétisme permet aux particules d'interagir les unes avec les autres via des champs électriques et magnétiques , et la gravitation permet aux particules ayant une masse de s'attirer les unes les autres conformément à la théorie de la relativité générale d'Einstein . Le modèle standard explique ces forces comme résultant de particules de matière échangeant d'autres particules , généralement appelées particules de médiation de force . Lorsqu'une particule médiatrice de force est échangée, l'effet à un niveau macroscopique est équivalent à une force les influençant toutes les deux, et la particule est donc dite avoir médiatisé (c'est-à-dire avoir été l'agent de) cette force. Les calculs du diagramme de Feynman , qui sont une représentation graphique de l' approximation de la théorie des perturbations , invoquent des « particules médiatrices de force », et lorsqu'ils sont appliqués à l'analyse des expériences de diffusion à haute énergie, sont en accord raisonnable avec les données. Cependant, la théorie des perturbations (et avec elle le concept de « particule médiatrice de force ») échoue dans d'autres situations. Ceux-ci incluent la chromodynamique quantique à basse énergie , les états liés et les solitons .

Les bosons de jauge du modèle standard ont tous un spin (tout comme les particules de matière). La valeur du spin est 1, ce qui en fait des bosons . En conséquence, ils ne suivent pas le principe d'exclusion de Pauli qui contraint les fermions : ainsi les bosons (par exemple les photons) n'ont pas de limite théorique sur leur densité spatiale (nombre par volume) . Les types de bosons de jauge sont décrits ci-dessous.

  • Les photons assurent la médiation de la force électromagnétique entre les particules chargées électriquement. Le photon est sans masse et est bien décrit par la théorie de l'électrodynamique quantique .
  • Les
    W+
    ,
    W
    , et
    Z
    Les bosons de jauge assurent la médiation des interactions faibles entre les particules de saveurs différentes (tous les quarks et les leptons). Ils sont massifs, avec le
    Z
    étant plus massif que le
    W±
    . Les interactions faibles impliquant le
    W±
    agir uniquement sur les particules gauchers et les antiparticules droitières . Les
    W±
    porte une charge électrique de +1 et -1 et se couple à l'interaction électromagnétique. Le neutre électriquement
    Z
    Le boson interagit à la fois avec les particules gauches et les antiparticules droites. Ces trois bosons de jauge ainsi que les photons sont regroupés, comme médiateurs de l' interaction électrofaible .
  • Les huit gluons assurent la médiation des interactions fortes entre les particules chargées de couleur (les quarks). Les gluons sont sans masse. La multiplicité octuple des gluons est marquée par une combinaison de couleur et de charge anti-couleur (par exemple rouge-antivert). Parce que les gluons ont une charge de couleur efficace, ils peuvent également interagir entre eux. Les gluons et leurs interactions sont décrits par la théorie de la chromodynamique quantique .

Les interactions entre toutes les particules décrites par le modèle standard sont résumées par les diagrammes à droite de cette section.

le boson de Higgs

La particule de Higgs est une particule élémentaire scalaire massive théorisée par Peter Higgs en 1964, lorsqu'il montra que le théorème de Goldstone de 1962 (symétrie continue générique, qui se brise spontanément) fournit une troisième polarisation d'un champ vectoriel massif. Par conséquent, le doublet scalaire original de Goldstone, la particule massive de spin zéro, a été proposé comme le boson de Higgs et est un élément clé du modèle standard. Il n'a pas de spin intrinsèque et, pour cette raison, est classé comme un boson (comme les bosons de jauge, qui ont un spin entier ).

Le boson de Higgs joue un rôle unique dans le modèle standard, en expliquant pourquoi les autres particules élémentaires, à l'exception du photon et du gluon , sont massives. En particulier, le boson de Higgs explique pourquoi le photon n'a pas de masse, alors que les bosons W et Z sont très lourds. Les masses des particules élémentaires et les différences entre l' électromagnétisme (médié par le photon) et la force faible (médiée par les bosons W et Z), sont essentielles à de nombreux aspects de la structure de la matière microscopique (et donc macroscopique). Dans la théorie électrofaible , le boson de Higgs génère les masses des leptons (électron, muon et tau) et des quarks. Comme le boson de Higgs est massif, il doit interagir avec lui-même.

Étant donné que le boson de Higgs est une particule très massive et qu'il se désintègre également presque immédiatement lors de sa création, seul un accélérateur de particules à très haute énergie peut l'observer et l'enregistrer. Des expériences pour confirmer et déterminer la nature du boson de Higgs à l' aide du Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN ont commencé au début de 2010 et ont été réalisées à Fermilab de Tevatron jusqu'à sa fermeture à la fin de 2011. cohérence mathématique du modèle standard exige que tout mécanisme capable de générer les masses de particules élémentaires doit devenir visible à des énergies supérieures1,4  TeV ; par conséquent, le LHC (conçu pour heurter deuxfaisceaux de protons de 7 TeV ) a été construit pour répondre à la question de savoir si le boson de Higgs existe réellement.

Le 4 juillet 2012, deux des expériences au LHC ( ATLAS et CMS ) ont toutes deux rapporté indépendamment qu'elles avaient trouvé une nouvelle particule d'une masse d'environ125  GeV/ c 2 (environ 133 masses de protons, de l'ordre de10 × 10 -25  kg ), ce qui est « compatible avec le boson de Higgs ». Le 13 mars 2013, il a été confirmé qu'il s'agissait du boson de Higgs recherché.

Aspects théoriques

Construction du modèle standard lagrangien

Techniquement, la théorie quantique des champs fournit le cadre mathématique du modèle standard, dans lequel un lagrangien contrôle la dynamique et la cinématique de la théorie. Chaque type de particule est décrit en termes de champ dynamique qui imprègne l' espace-temps . La construction du modèle standard suit la méthode moderne de construction de la plupart des théories des champs : en postulant d'abord un ensemble de symétries du système, puis en écrivant le lagrangien renormalisable le plus général à partir de son contenu particulaire (champ) qui observe ces symétries.

La symétrie globale de Poincaré est postulée pour toutes les théories relativistes des champs quantiques. Il se compose de la symétrie translationnelle familière , de la symétrie rotationnelle et de l'invariance du référentiel inertiel au cœur de la théorie de la relativité restreinte . La symétrie de jauge locale SU(3)×SU(2)×U(1) est une symétrie interne qui définit essentiellement le modèle standard. En gros, les trois facteurs de la symétrie de jauge donnent lieu aux trois interactions fondamentales. Les champs appartiennent à différentes représentations des divers groupes de symétrie du modèle standard (voir tableau). En écrivant le lagrangien le plus général, on constate que la dynamique dépend de 19 paramètres, dont les valeurs numériques sont établies par l'expérience. Les paramètres sont résumés dans le tableau (rendu visible en cliquant sur "afficher") ci-dessus.

Secteur de la chromodynamique quantique

Le secteur de la chromodynamique quantique (QCD) définit les interactions entre les quarks et les gluons, qui est une théorie de jauge de Yang-Mills avec une symétrie SU(3), générée par T a . Comme les leptons n'interagissent pas avec les gluons, ils ne sont pas affectés par ce secteur. Le lagrangien de Dirac des quarks couplés aux champs de gluons est donné par

??
je
est le spineur de Dirac du champ de quarks, où i = {r, g, b} représente la couleur,
γ μ sont les matrices de Dirac ,
gun
μ
est le champ de jauge à 8 composantes ( ) SU(3),
Tun
ij
sont les matrices de Gell-Mann 3 × 3 , génératrices du groupe de couleurs SU(3),
gun
μν
représente le tenseur de champ de gluons ,
g s est la constante de couplage fort.

Secteur électrofaible

Le secteur électrofaible est une théorie de jauge de Yang-Mills de groupe de symétrie U(1) × SU(2) L ,

B μ est le champ de jauge U (1),
Y W est l' hypercharge faible - le générateur du groupe U(1),
W μ est le champ de jauge SU(2) à 3 composantes,
τ L sont les matrices de Pauli – génératrices infinitésimales du groupe SU(2) – avec l'indice L pour indiquer qu'elles n'agissent que sur lesfermions chiraux gauches ,
g' et g sont respectivement les constantes de couplage U(1) et SU(2),
( ) et sont les tenseurs d'intensité de champ pour les champs d'isospin faible et d'hypercharge faible.

Notons que l'ajout de termes de masse de fermions dans le lagrangien électrofaible est interdit, car les termes de la forme ne respectent pas l' invariance de jauge U(1) × SU(2) L. Il n'est pas non plus possible d'ajouter des termes de masse explicites pour les champs de jauge U(1) et SU(2). Le mécanisme de Higgs est responsable de la génération des masses des bosons de jauge, et les masses des fermions résultent d'interactions de type Yukawa avec le champ de Higgs.

Secteur du Higgs

Dans le Modèle Standard, le champ de Higgs est un scalaire complexe du groupe SU(2) L :

où les exposants + et 0 indiquent la charge électrique ( Q ) des composants. L'hypercharge faible ( Y W ) des deux composants est 1.

Avant brisure de symétrie, le lagrangien de Higgs est

qui jusqu'à un terme de divergence, (c'est-à-dire après intégration partielle) peut aussi s'écrire comme

La force d' auto-couplage Higgs λ est approximativement une / 8 . Ceci n'est pas inclus dans le tableau ci-dessus car il peut être dérivé de la masse (après bris de symétrie) et de la valeur attendue du vide.

Secteur Yukawa

Les termes d' interaction Yukawa sont

G u,d sont des matrices 3 × 3 de couplages de Yukawa, avec le terme ij donnant le couplage des générations i et j , et hc signifie conjugué hermitien des termes précédents.

Interactions fondamentales

Le modèle standard décrit trois des quatre interactions fondamentales dans la nature ; seule la gravité reste inexpliquée. Dans le modèle standard, une telle interaction est décrite comme un échange de bosons entre les objets affectés, comme un photon pour la force électromagnétique et un gluon pour l'interaction forte. Ces particules sont appelées porteurs de force ou particules messagères .

Les quatre interactions fondamentales de la nature
Propriété/Interaction Gravitation Électrofaible Fort
Faible Électromagnétique Fondamental Résiduel
Particules médiatrices Pas encore observé
( hypothèse de Graviton )
W + , W et Z 0 γ (photons) Gluons mésons π , ρ et ω
Particules affectées Toutes les particules Main gauche fermions Chargé électriquement Quarks, gluons Hadrons
Agit sur Masse, énergie Saveur Charge électrique Frais de couleur
États liés formés Planètes, étoiles, galaxies, groupes de galaxies n / A Atomes, molécules Hadrons Noyaux atomiques
Force à l'échelle des quarks
(par rapport à l'électromagnétisme)
10 −41 (prévu) 10 -4 1 60 Non applicable
aux quarks
Force à l'échelle des
protons/neutrons
(par rapport à l'électromagnétisme)
10 −36 (prédit) 10 -7 1 Non applicable
aux hadrons
20
Forces du modèle standard

La gravité

Bien qu'elle soit peut-être l'interaction fondamentale la plus familière, la gravité n'est pas décrite par le modèle standard, en raison des contradictions qui surviennent lors de la combinaison de la relativité générale, de la théorie moderne de la gravité et de la mécanique quantique. Cependant, la gravité est si faible aux échelles microscopiques, qu'elle est essentiellement non mesurable. Le graviton est postulé comme la particule médiatrice.

Électromagnétisme

L'électromagnétisme est la seule force à longue portée dans le modèle standard. Il est médié par les photons et se couple à la charge électrique. L'électromagnétisme est responsable d'un large éventail de phénomènes, notamment la structure de la couche d'électrons atomiques , les liaisons chimiques , les circuits électriques et l' électronique . Les interactions électromagnétiques dans le modèle standard sont décrites par l'électrodynamique quantique.

Force nucléaire faible

L'interaction faible est responsable de diverses formes de désintégration des particules , telles que la désintégration bêta . Il est faible et à courte portée, du fait que les particules médiatrices faibles, les bosons W et Z, ont une masse. Les bosons W ont une charge électrique et des interactions intermédiaires qui modifient le type de particule (appelé saveur) et la charge. Les interactions médiées par les bosons W sont des interactions à courant chargé . Les bosons Z sont des interactions de courant neutres et neutres, qui ne modifient pas la saveur des particules. Ainsi, les bosons Z sont similaires au photon, en plus d'être massifs et d'interagir avec le neutrino. L'interaction faible est également la seule interaction à violer la parité et le CP . La violation de la parité est maximale pour les interactions à courant chargé, puisque le boson W interagit exclusivement avec les fermions gauchers et les antifermions droitiers.

Dans le modèle standard, la force faible est comprise en termes de théorie électrofaible, qui stipule que les interactions faible et électromagnétique s'unissent en une seule interaction électrofaible à haute énergie.

Force nucléaire puissante

La force nucléaire forte est responsable de la liaison hadronique et nucléaire . Il est médié par des gluons, qui se couplent à la charge de couleur. Puisque les gluons eux-mêmes ont une charge de couleur, la force forte présente un confinement et une liberté asymptotique . Le confinement signifie que seules les particules de couleur neutre peuvent exister de manière isolée, donc les quarks ne peuvent exister que dans les hadrons et jamais de manière isolée, à basse énergie. La liberté asymptotique signifie que la force forte devient plus faible à mesure que l'échelle d'énergie augmente. La force puissante surpasse la répulsion électrostatique des protons et des quarks dans les noyaux et les hadrons respectivement, à leurs échelles respectives.

Alors que les quarks sont liés dans les hadrons par l'interaction forte fondamentale, qui est médiée par les gluons, les nucléons sont liés par un phénomène émergent appelé force forte résiduelle ou force nucléaire . Cette interaction est médiée par des mésons, tels que le pion . Les charges de couleur à l'intérieur du nucléon s'annulent, ce qui signifie que la plupart des champs de gluons et de quarks s'annulent à l'extérieur du nucléon. Cependant, certains résidus sont "fuyés", ce qui apparaît comme l'échange de mésons virtuels, qui provoque la force d'attraction entre les nucléons. L'interaction forte (fondamentale) est décrite par la chromodynamique quantique, qui est une composante du modèle standard.

Tests et prédictions

Le modèle standard a prédit l'existence des bosons W et Z , du gluon et des quarks top et charm et a prédit bon nombre de leurs propriétés avant que ces particules ne soient observées. Les prédictions ont été confirmées expérimentalement avec une bonne précision.

Le modèle standard a également prédit l'existence du boson de Higgs , trouvé en 2012 au Large Hadron Collider , comme dernière particule.

Défis

Problème non résolu en physique :

  • Qu'est-ce qui donne naissance au modèle standard de la physique des particules ?
  • Pourquoi les masses de particules et les constantes de couplage ont-elles les valeurs que nous mesurons ?
  • Pourquoi y a-t-il trois générations de particules ?
  • Pourquoi y a-t-il plus de matière que d' antimatière dans l'univers ?
  • la matière noire s'intègre-t-elle dans le modèle ? Est-il même constitué d'une ou plusieurs nouvelles particules ?

L'auto-cohérence du modèle standard (actuellement formulé comme une théorie de jauge non abélienne quantifiée par des intégrales de chemin) n'a pas été mathématiquement prouvée. Bien qu'il existe des versions régularisées utiles pour des calculs approximatifs (par exemple la théorie de jauge sur réseau ), on ne sait pas si elles convergent (au sens des éléments de la matrice S) dans la limite où le régulateur est supprimé. Une question clé liée à la cohérence est l' existence de Yang-Mills et le problème de l' écart de masse .

Les expériences indiquent que les neutrinos ont une masse , ce que le modèle standard classique ne permettait pas. Pour tenir compte de cette constatation, le modèle standard classique peut être modifié pour inclure la masse des neutrinos.

Si l'on insiste pour n'utiliser que les particules du modèle standard, cela peut être réalisé en ajoutant une interaction non renormalisable des leptons avec le boson de Higgs. À un niveau fondamental, une telle interaction émerge dans le mécanisme de bascule où des neutrinos droits lourds sont ajoutés à la théorie. Ceci est naturel dans l' extension symétrique gauche-droite du modèle standard et dans certaines grandes théories unifiées . Tant qu'une nouvelle physique apparaît en dessous ou autour de 10 14 GeV , les masses des neutrinos peuvent être du bon ordre de grandeur.

La recherche théorique et expérimentale a tenté d'étendre le modèle standard en une théorie des champs unifiée ou une théorie de tout , une théorie complète expliquant tous les phénomènes physiques, y compris les constantes. Les insuffisances du modèle standard qui motivent une telle recherche comprennent :

  • Le modèle n'explique pas la gravitation , bien que la confirmation physique d'une particule théorique connue sous le nom de graviton en expliquerait dans une certaine mesure. Bien qu'il traite des interactions fortes et électrofaibles, le modèle standard n'explique pas de manière cohérente la théorie canonique de la gravitation, la relativité générale , en termes de théorie quantique des champs . La raison en est, entre autres, que les théories quantiques de la gravité s'effondrent généralement avant d'atteindre l' échelle de Planck . En conséquence, nous n'avons aucune théorie fiable pour le tout premier univers.
  • Certains physiciens le considèrent comme ad hoc et inélégant, nécessitant 19 constantes numériques dont les valeurs sont sans rapport et arbitraires. Bien que le modèle standard, tel qu'il existe actuellement, puisse expliquer pourquoi les neutrinos ont des masses, les spécificités de la masse des neutrinos ne sont toujours pas claires. On pense que l'explication de la masse des neutrinos nécessitera 7 ou 8 constantes supplémentaires, qui sont également des paramètres arbitraires.
  • Le mécanisme de Higgs donne lieu au problème de hiérarchie si une nouvelle physique (couplée au Higgs) est présente à des échelles d'énergie élevées. Dans ces cas, pour que l'échelle faible soit beaucoup plus petite que l' échelle de Planck , un réglage fin sévère des paramètres est nécessaire ; il existe cependant d'autres scénarios qui incluent la gravité quantique dans lesquels un tel réglage fin peut être évité. Il existe également des problèmes de trivialité quantique , ce qui suggère qu'il n'est peut-être pas possible de créer une théorie quantique cohérente des champs impliquant des particules scalaires élémentaires.
  • Le modèle est incompatible avec le modèle émergent de cosmologie Lambda-CDM . Les controverses incluent l'absence d'explication dans le modèle standard de la physique des particules pour la quantité observée de matière noire froide (CDM) et ses contributions à l'énergie noire , qui sont de plusieurs ordres de grandeur trop grandes. Il est également difficile de s'accommoder de la prédominance observée de la matière sur l'antimatière ( asymétrie matière / antimatière ). L' isotropie et l' homogénéité de l'univers visible sur de grandes distances semblent nécessiter un mécanisme comme l' inflation cosmique , qui constituerait également une extension du modèle standard.

Actuellement, aucune théorie proposée de tout n'a été largement acceptée ou vérifiée.

Voir également

Remarques

Les références

Lectures complémentaires

Manuels d'introduction

  • I. Aitchison ; A. Hé (2003). Théories de jauge en physique des particules : une introduction pratique . Institut de Physique. ISBN 978-0-585-44550-2.
  • W. Greiner ; B. Müller (2000). Théorie de jauge des interactions faibles . Springer. ISBN 978-3-540-67672-0.
  • GD Coughlan; JE Dodd ; BM Gripaios (2006). Les idées de la physique des particules : une introduction pour les scientifiques . La presse de l'Universite de Cambridge.
  • DJ Griffiths (1987). Introduction aux particules élémentaires . John Wiley & Fils. ISBN 978-0-471-60386-3.
  • GL Kane (1987). Physique des particules élémentaire moderne . Livres de Persée. ISBN 978-0-201-11749-3.

Manuels avancés

Articles de journaux

Liens externes