砂漠（素粒子物理学）

素粒子物理学の大統一理論（GUT）では、砂漠は、おおよそ電弱エネルギースケール（従来はヒッグス場の真空期待値またはVeV（約246 GeV）と定義される）と、未知の相互作用が現れないGUTスケールとの間の理論上のエネルギースケールのギャップを指します。

これは、関係する長さのギャップとして説明することもできます。10 ⁻¹⁸  m (現在調査されている長さのスケール)未満と 10 ⁻³¹ m (GUT 長さのスケール) を超える範囲では新しい物理現象はありません。

砂漠のアイデアは、大統一理論スケールで近似的に桁違いのゲージ結合統一が見られるという観察に端を発している。弱い核力、強い核力、電磁気力のゲージ結合定数の値をエネルギーの関数としてプロットすると、3 つの値は非常に高いエネルギーで共通の単一の値にほぼ収束するように見える。これは大統一理論自体の理論的動機の 1 つであり、中間エネルギー スケールで新しい相互作用を追加すると、このゲージ結合統一が一般に崩れる。この崩れは新しい量子場 (新しい力と粒子) によって生じ、新しい結合定数と新しい相互作用が導入され、高エネルギーで既存の標準モデルの結合定数が修正される。しかし、標準モデルでの収束が実際には不正確であるという事実は、砂漠に対する主要な理論的議論の 1 つである。なぜなら、統一を正確にするには、大統一スケール以下の新しい物理学が必要になるからである。

^{標準モデルの粒子はすべて、約 10 12}  eVまたは 1 TeVのエネルギースケールよりはるかに低いところで発見されました。標準モデルの最も重い粒子はトップクォークで、質量は約 173 GeV です。

これらのエネルギーを超えると、超対称性を仮定した砂漠理論では、約 10 ²⁵ eVのスケールに達するまで粒子は発見されないと予測されています。この理論によれば、大型ハドロン衝突型加速器(LHC) と近い将来の国際リニアコライダー(ILC) での TeV スケールの物理測定により、GUT スケールまで外挿できるようになります^[要出典]。

粒子砂漠の否定的な意味合いは、実験物理学では、非常に長い期間にわたって、これ以上根本的な発見がなくなるということである。実験エネルギーの増加率によっては、この期間は100年以上になるかもしれない。おそらく、LHCで達成されるエネルギー、約10 ¹³ eVが最大12桁増加したとしても、今日知られている粒子がさらに大量に生成されるだけで、基礎構造は調査されないだろう。前述の期間は、加速器物理学の根本的な発展によってGUTスケールを観測するか、非常に高エネルギーの宇宙線イベントの調査などの非加速器観測技術、またはまだ開発されていない別の技術によって短縮される可能性がある。

砂漠の代替物は、エネルギースケールが数桁増加するごとに展開する粒子と相互作用を示します。

極小超対称標準モデルでは、パラメータを調整することで大統一を 正確に行うことができます。この統一は一意ではありません。

このような正確なゲージ統一は超対称モデルの一般的な特徴であり、それらを開発するための主要な理論的動機となっています。このようなモデルは、新しい対称性の破れに関連する新しいエネルギー スケールで新しい粒子 (「スーパーパートナー」) を自動的に導入し、従来のエネルギー砂漠を排除します。ただし、新しいエネルギー スケールと GUT スケールの間に類似の「砂漠」が含まれる場合があります。

カトプトロンモデルのようなシナリオも、同様のエネルギー砂漠の後に正確な統一につながる可能性があります。既知のニュートリノ質量がシーソー機構によるものである場合、観測されたO(1 meV)質量を生成するには、新しい重いニュートリノ状態はGUTスケール未満の質量を持つ必要があります。実験データに従った対応する質量とフェルミオン混合パラメータの桁数の指標例は、カトプトロンのコンテキスト内で計算されています。^{[1] [2]}

2019 年現在、LHC は数 TeV の質量、つまりトップ クォークの質量の約 10 倍までの多くの新しい粒子の存在を除外しています。電弱スケールを超える特定の距離に大きなエネルギー砂漠があること (またはこのスケールを超えると粒子がまったく存在しないこと) を支持するその他の間接的な証拠には、次のものがあります。

1. 陽子の崩壊が観測されていないため、GUT スケールまで (およびそれを超えて) 陽子の崩壊を生成できる多くの新しい物理モデルはすでに除外されています。^{[引用が必要]}
2. 極めて稀な粒子の崩壊など、既知の粒子やプロセスの精密測定により、すでに 1 PeV (10 ⁶ GeV) までのエネルギー スケールが間接的に調べられていますが、標準モデルからの逸脱は確認されていません。このため、それらのエネルギー以下に存在する可能性のある新しい物理現象は大幅に制限されます。
3. 宇宙定数、LIGO ノイズ、パルサータイミングに関する実験データの研究は、標準モデルや大型ハドロン衝突型加速器で見つかるものよりはるかに高い質量を持つ新しい粒子が存在する可能性は非常に低いことを示唆している。^{[3] [4] [5]しかし、この研究は、}量子重力または摂動 量子場理論が1 PeVより前に強く結合し、TeVで他の新しい物理学につながることも示唆している。 ^[3]
4. 観測されたヒッグス粒子の崩壊モードと崩壊率は、これまでのところ標準モデルと一致しています。

これまでのところ、砂漠と一致する電弱スケールと GUT スケールの間の質量を持つ新しい基本粒子の直接的な証拠はありません。ただし、そのような粒子が存在する理由についてはいくつかの理論があります。

1. ニュートリノ質量の主要な理論的説明であるさまざまなシーソーモデルはすべて、GUT スケール以下の新しい重いニュートリノ状態を必要とします。
2. 弱く相互作用する巨大粒子(WIMP) と暗黒物質のアクシオンモデルはどちらも、新しい長寿命粒子の質量が GUT スケールよりはるかに小さいことを必要とします。
3. 標準モデルでは、ヒッグス粒子の質量を実際の観測値に安定させる物理法則は存在しません。実際の値は GUT スケールよりはるかに低いため、最終的にそれを安定させる新しい物理法則が何であれ、より低いエネルギーでも明らかになるはずです。
4. 近年、精密測定によって標準モデルとのいくつかの顕著な相違が明らかになっています。これには、特定のB 中間子の崩壊における異常や、ミューオンg -2 (異常磁気モーメント)の測定値の相違が含まれます。現在進行中の実験の結果によっては、これらの効果は、約 100 TeV 未満の未知の新しい粒子の存在をすでに示している可能性があります。

Wikiquoteに砂漠 (素粒子物理学)に関する引用があります。

• ウォルチョーヴァー、ナタリー (2016 年 8 月 9 日)。「物理学にとって新粒子が存在しないことが意味すること」。Quanta Magazine。サイモンズ財団。2016年12 月 19 日閲覧。
• ディモポロス、サバス（1990）。「LHC、 SSC、そして宇宙」。Physics Letters B。246（3–4）：347–352。Bibcode ：1990PhLB..246..347D。doi ：10.1016/0370-2693（90）90612-A。
• 川村善治木南、鉄平。三浦隆司（2009）． 「隠れたセクターダイナミクスの存在下での超粒子和規則」。高エネルギー物理学のジャーナル。2009 (1): 064.arXiv : 0810.3965。Bibcode :2009JHEP...01..064K。土井: 10.1088/1126-6708/2009/01/064。