A Világegyetem nagy egyesítése

A kölcsönhatások egységes elméletének megalkotása választ adhat a kozmológia alapkérdéseire. A táguló Világegyetem valóban a múlt egy meghatározott időpillanatában kezdődött? A mi Ősrobbanásunk csak egyetlen epizód egy sokkal nagyobb Világegyetemben, amelyben örökösen kisebb és nagyobb ősrobbanások történnek? Ha így van, akkor a mi állandóink és törvényeink robbanásról robbanásra változnak?

A Standard Modell megoldásra váró másik rejtvénye a hierarchia-probléma. A ma ismert legnagyobb részecske tömege 175 GeV. (GeV = gigaelektronvolt, azaz milliárd elektronvolt; tömeg és energia megadására egyaránt használt egység; 1 proton tömegének megfelelő energia valamivel több, mint 1 GeV.) A keresett Higgs-részecskék tömege a 100 GeV - néhány száz GeV tartományban várható. Az egyesített (GUT) elméletben viszont sokkal nagyobb tömegek megjelenésére számítanak. A kölcsönhatások neve (erős, gyenge) is utal arra, hogy a ma vizsgált tartományban eltérő az erősségük. A legerősebb az erős kölcsönhatás, a leggyengébb a gravitáció. A hidrogénatomban a proton és a neutron közti gravitációs erő az elektromos erő erősségének mindössze 10^-39 -szerese, azaz csaknem 40 nagyságrenddel gyengébb. A terek, a kölcsönhatások egymáshoz viszonyított erőssége jelentősen függ attól, hogy milyen energián hasonlítjuk össze őket egymással. Számítások szerint a Standard Modellben még egymástól jelentősen különböző kölcsönhatások is valahol 10¹⁶ GeV táján egyenlő erejűvé válnak. A gravitáció 10¹⁶-10¹⁸ GeV táján válik a többi kölcsönhatással azonos erejűvé. A SM-ben már jelentős eltérés volt a részecskék tömege között, az elektron és az ún. top kvark tömegaránya 1:350 000, de ez semmi az egyesítési energiatartomány (10¹⁶ GeV) és a 100 GeV tartomány közti különbséghez képest: az az eltérés 14 nagyságrend, vagyis százbilliószoros. A hierarchia probléma lényege ez a hatalmas ugrás az energiaskálán, ezt lenne jó megérteni. Mégpedig úgy, hogy alapvető elvek következményeként váljék világossá.

Az elméleti fizikusok már eddig is több megoldást javasoltak a hierarchia-problémára. Új szimmetriát vezetnének be, a szuperszimmetrikus világban minden részecskének új párja jelenne meg. A "technicolor modellben" a kvarkokat összetartó "színes" erőkhöz hasonló új kölcsönhatásokat vezetnének be, a húrelméletben parányi húrok, hurkok, membránok az alapegységek, amelyek az ismert az alacsony energiákon részecskeként viselkednek. (A "színes" erők színei természetesen nem színesek, a húrok sem valódi húrok, ezek csak az eszmecserét megkönnyítő elnevezések.) Valamennyi elméleti megoldás a ma ismertekhez képest további új erőket vezet be, ezek is 10¹⁶ GeV táján egyesülnének a többi erővel. Ezek az új erők jóval 10¹⁶ GeV alatt is hatnak már, de nem tudjuk őket megfigyelni, mert nem hatnak a ma ismert részecskékre. Olyan nehezebb részecskékkel hatnak kölcsön, amelyeket nagy tömegük miatt viszont laboratóriumban nem tudunk előállítani. Ezek a nagyon nehéz részecskék azonban hathatnak az SM-részecskékre. A nagyon nehéz részecskék közbenső helyet foglalnak el valahol a 100 és a 10¹⁶ GeV között, ezzel a hierarchia-probléma is megoldódna.

Az új elméleti lehetőségek mindegyike egy sor új, nagyjából 1000 GeV tömegű részecske létezésével számol. Ha ezek valóban léteznek, akkor a CERN új gyorsítójában 2020-ig megtalálhatjuk őket. Lehet, hogy az Ősrobbanás után keletkeztek ilyen részecskék, és ma ezek hordozzák a Világegyetem "sötét anyagát"?

A 10¹⁶ GeV energiatartomány távlatilag is elérhetetlennek tűnik, ekkora energia eléréséhez néhány fényév átmérőjű részecskegyorsítóra lenne szükség. Az ebben az energiatartományban zajló folyamatok viszont hatással lehetnek a kisebb energiák tartományában zajló történésekre. Arról lehetne felismerni őket, hogy ezek a folyamatok kívül esnek a Standard Modell által megszabott kereteken, lehetőségen - olyan történések ezek, amelyeket az SM tilt. Ilyen lehet a stabilnak tartott szabad protonok bomlása, ennek jeleit mindmáig hiába keresték. Ilyen lehet, ha a SM-ben nulla tömegűnek tartott neutrínóknak mégis van tömege - emellett már szép számmal vannak közvetett kísérleti bizonyítékok Az elméleti fizikusok azzal számolnak, hogy a nagyon nehéz részecskék hatása a tömegükhöz képest kis energiákon nagyon gyenge. A nagy energiákon erős új kölcsönhatások jeleit a kis energiákon gyengeségük miatt nem észleljük.