الصحراء (فيزياء الجسيمات)

في نظرية التوحيد الكبرى لفيزياء الجسيمات (GUT)، تشير الصحراء إلى فجوة نظرية في مقاييس الطاقة، بين مقياس الطاقة الكهروضعيف تقريبًا - والذي يُعرف تقليديًا بأنه القيمة المتوقعة للفراغ أو VEV لحقل هيغز (حوالي 246 جيجا إلكترون فولت ) - ومقياس GUT ، الذي لا تظهر فيه أي تفاعلات معروفة.

ويمكن وصفها أيضًا بأنها فجوة في الأطوال المعنية، حيث لا توجد فيزياء جديدة تحت 10 ⁻¹⁸  متر (مقياس الطول الذي يتم فحصه حاليًا) وفوق 10 ⁻³¹ متر (مقياس طول GUT).

استُلهمت فكرة "الصحراء" من ملاحظة توحيد تقريبي، من حيث رتبة المقدار، لثوابت اقتران القياس عند مستوى نظرية التوحيد الكبرى. فعند تمثيل قيم ثوابت اقتران القياس للقوى النووية الضعيفة، والقوى النووية القوية، والقوى الكهرومغناطيسية كدالة للطاقة، تبدو القيم الثلاث وكأنها تتقارب تقريبًا إلى قيمة واحدة مشتركة عند طاقات عالية جدًا. كان هذا أحد الدوافع النظرية لنظريات التوحيد الكبرى نفسها، وعادةً ما يؤدي إضافة تفاعلات جديدة عند أي مستوى طاقة متوسط ​​إلى تعطيل هذا التوحيد. وينشأ هذا التعطيل من الحقول الكمومية الجديدة - القوى والجسيمات الجديدة - التي تُدخل ثوابت اقتران جديدة وتفاعلات جديدة تُعدّل ثوابت اقتران النموذج القياسي الحالية عند طاقات أعلى. ومع ذلك، فإن حقيقة أن التقارب في النموذج القياسي غير دقيق في الواقع، تُعدّ إحدى الحجج النظرية الرئيسية ضد "الصحراء"، لأن جعل التوحيد دقيقًا يتطلب فيزياء جديدة دون مستوى نظرية التوحيد الكبرى .

تم اكتشاف جميع جسيمات النموذج القياسي عند مستويات طاقة أقل بكثير من 10 ^{^12} إلكترون فولت أو 1 تيرا إلكترون فولت. أثقل جسيم في النموذج القياسي هو الكوارك العلوي ، بكتلة تبلغ حوالي 173 جيجا إلكترون فولت.  

فوق هذه الطاقات، تتنبأ نظرية الصحراء، بافتراض التناظر الفائق، بعدم اكتشاف أي جسيمات حتى الوصول إلى مقياس طاقة يبلغ حوالي 10 ^{^25}  إلكترون فولت. ووفقًا لهذه النظرية، فإن قياسات فيزياء مقياس تيرا إلكترون فولت في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) ومصادم الخط الدولي (ILC) الافتراضي في المستقبل ستتيح الاستقراء وصولًا إلى مقياس نظرية التوحيد الكبرى (GUT ).

يكمن المغزى السلبي لظاهرة "صحراء الجسيمات" في أن الفيزياء التجريبية لن تجد ببساطة أي اكتشافات جوهرية جديدة على مدى فترة زمنية طويلة جدًا. وبحسب معدل زيادة طاقات التجارب ، قد تمتد هذه الفترة إلى مئة عام أو أكثر. ومن المفترض أنه حتى لو زادت الطاقة المُحققة في مصادم الهادرونات الكبير (LHC)، والتي تبلغ حوالي 10^ ¹³ إلكترون فولت، بمقدار يصل إلى 12 رتبة، فإن ذلك لن يؤدي إلا إلى إنتاج كميات هائلة من الجسيمات المعروفة اليوم، دون استكشاف أي بنية أساسية. ويمكن تقصير هذه الفترة الزمنية المذكورة آنفًا من خلال رصد نطاق نظرية التوحيد الكبرى (GUT) عبر تطور جذري في فيزياء المُسرّعات ، أو باستخدام تقنية رصد لا تعتمد على المُسرّعات، مثل دراسة أحداث الأشعة الكونية ذات الطاقة العالية للغاية ، أو تقنية أخرى لم تُطوّر بعد.

تُظهر البدائل للصحراء جزيئات وتفاعلات تتكشف مع كل زيادة بمقدار بضعة مراتب في مقياس الطاقة.

لا تفترض "فرضية الصحراء" وجود فيزياء جديدة بين مقياس التفاعل الكهروضعيف/تيرا إلكترون فولت ومقياس التوحيد العظيم أو مقياس بلانك. نشأت هذه الفكرة في منتصف سبعينيات القرن الماضي مع نظرية التوحيد العظيم SU(5) لجورجي-غلاشو : حيث أشار تغير اقترانات التفاعل القوي والضعيف والكهرومغناطيسي (الحرية التقاربية) إلى إمكانية التقائها عند طاقة عالية جدًا (حوالي 10^15-10^16 جيجا إلكترون فولت).بشكلٍ لافت، باستخدام محتوى الجسيمات في النموذج القياسي فقط (بدون التناظر الفائق)، تتقارب اقترانات القياس الثلاثة تقريبًا في نطاق 10^14–10^16 جيجا إلكترون فولت. إضافة حقول جديدة ضئيلة (كما في النموذج القياسي الأدنى للتناظر الفائق) تُنتج توحيدًا دقيقًا عند ~2×10^16 جيجا إلكترون فولت. إذا لم تُؤثر أي عتبات وسيطة على هذا التقارب، فهذا يعني وجود "صحراء شاسعة" من الجسيمات الجديدة حتى هذا النطاق. علاوة على ذلك، لطالما كانت بيانات الطاقة المنخفضة متوافقة مع هذا السيناريو: إذ يمكن أن تنشأ كتل النيوترينو من مؤثر ذي بُعد 5 مُثبَّط بكتلة كبيرة جدًا (تأثير الميزان).وتقع كتلة هيغز المقاسة (125 جيجا إلكترون فولت) ضمن "نافذة الاستقرار شبه التام" الضيقة (110-190 جيجا إلكترون فولت) التي تسمح للنموذج القياسي بالبقاء مضطربًا ومستقرًا (شبه مستقر) حتى مقاييس نظرية التوحيد الكبرى/بلانك . وبالتالي، لم تُجبر القياسات الدقيقة على ظهور فيزياء جديدة دون مقياس نظرية التوحيد الكبرى - في الواقع، كان من شأن هيغز خفيف جدًا (<110 جيجا إلكترون فولت) أو ثقيل جدًا (>190 جيجا إلكترون فولت) أن يُزعزع استقرار الفراغ أو الترابطات.

باستخدام النموذج القياسي الأدنى للتناظر الفائق ، يمكن لتعديل المعلمات أن يجعل التوحيد الكبير دقيقًا. هذا التوحيد ليس فريدًا.

Such exact gauge unification is a generic feature of supersymmetric models, and remains a major theoretical motivation for developing them. Such models automatically introduce new particles ("superpartners") at a new energy scale associated with the breaking of the new symmetry, ruling out the conventional energy desert. They can, however, contain an analogous "desert" between the new energy scale and the GUT scale.

Scenarios like the Katoptron model can also lead to exact unification after a similar energetic desert. If the known neutrino masses are due to a seesaw mechanism, the new heavy neutrino states must have masses below the GUT scale in order to produce the observed O(1 meV) masses. Indicative examples of the order of magnitude of the corresponding masses and fermion mixing parameters in accordance with experimental data have been calculated within the context of katoptrons.^[1][2]

As of 2019, the LHC has excluded the existence of many new particles up to masses of a few TeV, or about 10x the mass of the top quark. Other indirect evidence in favor of a large energy desert for a certain distance above the electroweak scale (or even no particles at all beyond this scale) includes:

1. The absence of any observed proton decays, which has already ruled out many new physics models that can produce them up to (and beyond) the GUT scale.
2. Precision measurements of known particles and processes, such as extremely rare particle decays, have already indirectly probed energy scales up to 1 PeV (10⁶ GeV) without finding any confirmed deviations from the Standard Model. This significantly constrains any new physics that might exist below those energies.
3. Research from experimental data on the cosmological constant, LIGO noise, and pulsar timing, suggests it's very unlikely that there are any new particles with masses much higher than those which can be found in the standard model or the Large Hadron Collider.^[3][4][5] However, this research has also indicated that quantum gravity or perturbativequantum field theory will become strongly coupled before 1 PeV, leading to other new physics in the TeVs.^[3]
4. The observed Higgs boson decay modes and rates are so far consistent with the Standard Model.

حتى الآن، لا يوجد دليل مباشر على وجود جسيمات أساسية جديدة ذات كتل تقع بين مقياس التفاعل الكهروضعيف ومقياس التوحيد الكبير، وهو ما يتوافق مع نظرية الصحراء. ومع ذلك، توجد بعض النظريات حول سبب احتمال وجود مثل هذه الجسيمات:

1. تتطلب التفسيرات النظرية الرئيسية لكتل ​​النيوترينو، وهي نماذج التوازن المختلفة، وجود حالات نيوترينو ثقيلة جديدة دون مستوى التوحيد الكبير. (مع ذلك، يتوافق تمامًا مع النموذج القياسي أن كتل النيوترينو تُحدد ببساطة بواسطة بوزون هيغز، تمامًا كما هو الحال بالنسبة لبقية فرميونات النموذج القياسي، ولا توجد حاليًا أي مؤشرات على خلاف ذلك).
2. يتطلب كل من نموذج الجسيمات الضخمة ذات التفاعل الضعيف (WIMP) ونموذج الأكسيون للمادة المظلمة أن تكون للجسيمات الجديدة طويلة العمر كتل أقل بكثير من مقياس التوحيد الكبير (GUT).
3. في النموذج القياسي، لا توجد فيزياء تُثبّت كتلة بوزون هيغز عند قيمتها المرصودة فعلياً. وبما أن القيمة الفعلية أقل بكثير من مقياس التوحيد الكبير، فإن أي فيزياء جديدة تُثبّتها في نهاية المطاف يجب أن تظهر عند طاقات أقل أيضاً.
4. أظهرت القياسات الدقيقة في السنوات الأخيرة العديد من التناقضات البارزة مع النموذج القياسي. وتشمل هذه التناقضات شذوذات في اضمحلال بعض ميزونات B، واختلافًا في القيمة المقاسة لعزم الميون المغناطيسي الشاذ ( g⁻² ). وبناءً على نتائج التجارب الجارية حاليًا، قد تشير هذه التأثيرات إلى وجود جسيمات جديدة غير معروفة دون طاقة 100 تيرا إلكترون فولت تقريبًا.

• وولتشوفر، ناتالي (9 أغسطس 2016). "ماذا يعني عدم وجود جسيمات جديدة بالنسبة للفيزياء؟" . مجلة كوانتا . مؤسسة سيمونز . تاريخ الاسترجاع: 19 ديسمبر 2016 .
• ديموبولوس، سافاس (1990). "مصادم الهادرونات الكبير، ومصادم الهادرونات الصغير، والكون" . رسائل الفيزياء ب . 246 ( 3-4 ): 347-352 . رمز Bibcode : 1990PhLB..246..347D . doi : 10.1016/0370-2693(90)90612-A .
• كاوامورا، يوشيهارو؛ كينامي، تيبي؛ ميورا، تاكاشي (2009). "قواعد مجموع الجسيمات الفائقة في ظل وجود ديناميكيات القطاع المخفية" . مجلة فيزياء الطاقة العالية . 2009 (1): 064. أرخايف : 0810.3965 . بيب كود : 2009JHEP...01..064K . دوى : 10.1088/1126-6708/2009/01/064 .