نقص مدل استاندارد در یکپارچه سازی نیروها :
موفقیت بازبهنجارسازی در الکترودینامیک کوانتومی ،تلاش هایی را برای یافتن تئوری های میدان کوانتومی که سه نیروی دیگر طبیعت را توصیف کند برانگیخت . ولی بخش بندی نیروهای طبیعت به رده ها ،شاید ساختگی و برگرفته از نبود درک ماست بنابراین مردم در پی یک تئوری برای همه چیز بوده اند که هر چهار نیرو را در یک قانون یگانه سازگار با تئوری کوانتوم یکپارچه کند.
یک نشانه که، یکپارچه سازی راه درستی است ،برآمده از تئوری نیروی کم توان است .تئوری میدان کوانتومی توصیف کننده نیروی کم توان نمی تواند به تنهایی بازبهنجار شود به این معنی که ،دارای نامتناهی هایی است که نمی توان آن ها را با کاهش شمارهای متناهی مانند توده و بار حذف کرد.
در سال 1967 ،عبدوالسلام و استیون واینبرگ ،به طور مستقل تئوری پیشنهاد کردند که در آن الکترومغناطیس با نیروی کم توان ،یکپارچه شده بود و دریافتند که یکپارچه سازی ،بلای نامتناهی است . این نیروی یکپارچه شده ،الکترو ضعیف خوانده شد.
نیروی پرتوان می تواند در تئوری ای به نام کرومودینامیک کوانتومی (رنگ پویایی کوانتومی) بازبهنجار شود .بر پایه این تئوری ،پروتون ،نوترون و بسیاری از ذره های بنیادین مادی دیگر از کوارک ساخته شده اند .کوارک دارای ویژگی برجسته ای است که فیزیک دانان آن را رنگ می خوانند ( از این رو جمله “رنگ پویایی” هر چند رنگ های کوارک تنها برچسب های یاری دهنده هستند –هیچ ارتباطی با رنگ هایی دیده شدنی ندارند ) .کوارک ها در سه رنگ سرخ ، سبز و آبی می آیند.
افزون بر آن ، هر کوارک دارای یک شریک پادذره است که پاد سرخ ،پاد سبز و پاد آبی خوانده می شود .انگاره این است که تنها ترکیب های بی رنگ ناب می توانند به صورت ذره آزاد وجود داشته باشند .دو راه برای دستیابی به چنین ترکیب هایی کوارک خنثی وجود دارد :
- یکی آن که رنگ و پادرنگ یکدیگر را خنثی کنند و یک زوج کوارک و پاد کوارک بی رنگ تشکیل دهند ،یک ذره ناپایدار که مزون خوانده می شود .
- همچنین وقتی هر سه رنگ (یا هر سه پادرنگ) آمیخته می شوند ،نتیجه رنگ ویژه ای نخواهد داشت .سه کوارک یکی از هر رنگ ،ذره هایی پایداری را به نام باریون ها می سازند .
پروتون ها و نوترون ها مثال هایی از باریون ها هستند (و سه پاد کوارک که پادذره های باریون ها را می سازند ) . پروتون ها و نوترون ها باریون هایی هستند که هسته اتم ها را تشکیل می دهند و پایه همه ماده معمولی کیهان هستند.
رنگ پویایی کوانتومی همچنین دارای یک ویژگی به نام آزادی مجانبی است . آزادی مجانبی به این معناست که نیروهای پرتوان میان کوارک ها ،هنگامی که به هم نزدیکند ،کوچک هستند ولی همچنان که از هم دور می شوند ،افزایش می یابند .آزادی مجانبی روشن می کند که چرا در طبیعت کوارک ها را به صورت تنها مشاهده نمی کنیم و در آزمایشگاه هم نتوانستیم آن ها را تولید کنیم . این مدل را می پذیریم چرا که بسیار خوب رفتار پروتون ها و نوترون ها و دیگر ذره های مادی را توضیح می دهد.
پس از یگانه سازی نیروی الکترومغناطیس و نیروی کم توان ،در دهه 1970 فیزیکدانان به دنبال راهی گشتند تا نیروی پرتوان را نیز وارد این تئوری کنند .تئوری بزرگ یکپارچه یا (GUT) ، نیروهای کم توان و الکترومغناطیس را با نیرو های پرتوان یکپارچه می سازد . ولی بیشتر آن ها پیش بینی می کردند که پروتون ها ،آن چیزی که ما از آن ساخته شده ایم ،باید به طور میانگین پس از حدود 1032سال تباهی (تغییر شکل) می یابند( یعنی هر سال ،ذره بختی برابر با 1 به 1032برای تباهی دارد ) .اما محققان در سال 2009 دریافتند که عمر پرتون ها بیشتر از 1032سال است که برای تئوری بزرگ یکپارچگی خبر بدی بود.
از آن جا که شواهد تجربی پیشین ، نتوانستند تئوری های بزرگ یکپارچگی را تایید کنند .فیزیکدانان یک تئوری ویژه به نام مدل استاندارد را به کار گرفتند، که شامل تئوری یکپارچه نیروی الکترو کم توان و رنگ پویایی کوانتومی به عنوان تئوری نیروهای پرتوان است .ولی در مدل استاندارد ،نیروهای الکترو کم توان و نیروهای پر توان جداگانه کنش می کنند و به راستی یکپارچه نیستند .مدل استاندارد بسیار موفق و با همه مشاهدات کنونی سازگار است . ولی در نهایت رضایت بخش نیست ،زیرا جدا از یکپارچه نکردن نیروهای کم توان و پر توان ،شامل گرانش هم نمی شود.
