Тайна трех поколений: почему частицы вещества делятся на три практически идентичных поколения — Naked ScienceNaked Science
24 февраля
11 минут
Naked Science
170

Тайна трех поколений: почему частицы вещества делятся на три практически идентичных поколения

Помимо неизвестных науке темной материи и темной энергии, Стандартная модель физики частиц также сталкивается со сложностями в объяснении того, почему фермионы складываются в три практически одинаковых набора.

18ltngj167z4zjpg1

Для теории, которой пока не хватает довольно крупных составляющих, Стандартная модель частиц и взаимодействий оказалась вполне успешной. Она учитывает все, с чем мы ежедневно сталкиваемся: протоны, нейтроны, электроны и фотоны, а также такую экзотику, как бозон Хиггса и истинные кварки. Тем не менее теория неполная, так как она не может объяснить такие феномены, как темная материя и темная энергия.

 

Успех Стандартной модели обусловлен тем, что она представляет собой полезный гид по известным нам частицам вещества. Одним из таких важных паттернов можно назвать поколения. Похоже, каждая частица вещества может быть трех разных версий, которые различаются только массой.

 

Ученые задаются вопросом, есть ли у этого паттерна более подробное объяснение или пока проще верить, что ему на смену придет какая-то сокровенная истина.

 

Стандартная модель — это меню, содержащее все известные фундаментальные частицы, которые невозможно более разделить на составные части. Она делится на фермионы (частицы вещества) и бозоны (частицы — переносчики взаимодействий).

 

Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий / © ALEPH Collaboration

 

В частицы вещества входят шесть кварков и шесть лептонов. Кварки следующие: верхний, нижний, очарованный, странный, истинный и прелестный. Обычно они не существуют по отдельности, а группируются вместе, формируя более тяжелые частицы, такие как протоны и нейтроны. В лептоны входят электроны и их двоюродные братья — мюоны и тау, — а также три типа нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино).

 

Все вышеупомянутые частицы разделяются на три «поколения», которые буквально копируют друг друга. У верхнего, очарованного и истинного кварков одинаковый электрический заряд, а также одинаковые слабое и сильное взаимодействия: они прежде всего отличаются массами, которыми их наделяет поле Хиггса. То же самое относится к нижнему, странному и прелестному кваркам, а также электрону, мюону и тау.

 

Как было сказано выше, такие отличия могут что-то значить, но физики еще не выяснили что. Большинство поколений сильно различаются по массе. Например, тау-лептон примерно в 3600 раз массивнее электрона, а истинный кварк почти в 100 тысяч раз тяжелее верхнего кварка. Это различие проявляется в стабильности: более тяжелые поколения распадаются на более легкие до тех пор, пока не достигнут самых легких состояний, которые остаются стабильными вечно (насколько это известно).

  

Поколения играют важную роль в экспериментах. Например, бозон Хиггса — нестабильная частица, распадающаяся на множество других частиц, включая тау-лептоны. Получается, из-за того, что тау — самая тяжелая из частиц, бозон Хиггса «предпочитает» превращаться в тау чаще, чем в мюоны и электроны. Как отмечают работники ускорителей частиц, лучше всего изучать взаимодействия поля Хиггса с лептонами — посредством наблюдения распада бозона Хиггса на два тау.

 

Распад бозона Хиггса на прелестные кварки / © ATLAS Collaboration/CERN

 

Такой тип наблюдений находится в самом сердце физики Стандартной модели: столкните две или более частиц друг с другом и посмотрите, какие частицы появятся, затем ищите в остатках закономерности — и, если вам повезет, вы увидите что-то, не вписывающееся в вашу картину.

 

И хотя такие вещи, как темная материя и темная энергия, явно не вписываются в современные модели, в самой Стандартной модели есть некоторые проблемы. Например, согласно ей нейтрино должны быть безмассовыми, но эксперименты показали, что масса у нейтрино все-таки есть, пусть она и невероятно мала. И, в отличие от кварков и электрически заряженных лептонов, разница масс между поколениями нейтрино незначительна, что объясняет их колебания от одного типа к другому.

 

Не имея массы, нейтрино неотличимы друг от друга, с массой — они разные. Разница между их поколениями озадачивает как теоретиков, так и экспериментаторов. Как отметил Ричард Руиз из Питтсбургского университета: «На нас в упор уставилась какая-то закономерность, но мы не можем разобраться, как именно ее следует понимать».

 

Даже если бозон Хиггса только один — тот, который входит в Стандартную модель, — наблюдая за его взаимодействиями и распадом, можно многое узнать. Например, изучая то, насколько часто бозон Хиггса преображается в тау по сравнению с другими частицами, можно проверить обоснованность Стандартной модели, а также получить подсказки о существовании других поколений.

 

Конечно, едва ли есть еще какие-то поколения, так как кварк четвертого поколения должен быть намного тяжелее даже истинного кварка. Но аномалии в распаде Хиггса могут поведать о многом.

 

Опять же, на сегодня никто из ученых не понимает, почему есть именно три поколения частиц вещества. Тем не менее структура Стандартной модели — сама по себе подсказка к тому, что может находиться за ее пределами, включая так называемую суперсимметрию. Если у фермионов есть суперсимметричные партнеры, они также должны состоять из трех поколений. То, как распределены их массы, может помочь в понимании распределения масс фермионов в Стандартной модели, а также того, почему они укладываются именно в эти паттерны.

 

Суперсимметрия предполагает существование у каждой частицы Стандартной модели более тяжелого «суперпартнера» / © CERN/IES de SAR

 

Вне зависимости от того, сколько поколений частиц есть во Вселенной, сам факт их наличия остается загадкой. С одной стороны, «поколения» — не более чем удобная организация частиц вещества в Стандартной модели. Однако вполне возможно, что эта организация может выжить в более глубокой теории (например, в теории, где кварки состоят из еще более мелких гипотетических частиц — преонов), которая сможет объяснить, почему кварки и лептоны, судя по всему, образуют эти паттерны.

 

В конце концов, даже несмотря на то, что Стандартная модель еще не окончательное описание природы, до сего момента эта теория справлялась со своей задачей весьма хорошо. Чем больше научное сообщество приближается к краям начерченной этой теорией карты, тем ближе ученые подбираются к истинному и точному описанию всех частиц и их взаимодействий.

21 октября
5 минут
Полина Гершберг

Занятия футболом на профессиональном уровне понижают риск смерти от рака и болезней сердца, но повышают вероятность развития деменции.

22 октября
3 минуты
Мария Азарова

Межпланетную станцию могут запустить в 12-летнее путешествие к троянским астероидам уже в 2021 году.

21 октября
4 минуты
Сергей Васильев

Эксперименты показали, что получить дополнительную пользу от физических упражнений можно без увеличения нагрузок: просто занимаясь пораньше, еще до завтрака.

18 октября
4 минуты
Илья Ведмеденко

Военные США могут вооружиться перспективной винтовкой RM277, использующей мощные 6,8-миллиметровые патроны.

20 октября
4 минуты
Мария Азарова

По внешнему виду материал напоминает человеческую кожу.

19 октября
4 минуты
Илья Ведмеденко

Полномасштабный выпуск новейшего истребителя пятого поколения может начаться позже, чем предполагали американские военные.

17 октября
4 минуты
Илья Ведмеденко

Согласно представленным данным, вместо космического аппарата «Космос-2535» на орбите сейчас находятся пять объектов.

16 октября
3 минуты
Никита Шевцов

Биологи обнаружили вирус, который не может самостоятельно заражать клетки. Предполагается, что он пользуется помощью других вирусов.

16 октября
2 минуты
Илья Ведмеденко

Ученые сравнили состояние мозга женщин, имеющих детей, и тех, у кого их никогда не было. Выводы оказались более чем интересны.

[miniorange_social_login]

Комментарии

3 Комментарий

виктор Хижняк
6 месяц назад
-
0
+
Проверяем справедливость высказанных утверждений на Стандартной модели, путем объяснения масс лептонов и кварков. В целом СМ, как мне представляется, есть некий первоатом или энергия-материя вообще. Состоит она из трех, как бы, первоэлектронов и из трех, как бы, первоядер. Которые, собственно и являются элементами первоатома. Общие принципы соединения элементов заключается в следующем. Электрон и его аналоги (мюон и тау) соединяются с соответствующими нейтрино (электронное, мюонное и тау нейтрино). Масса электронное нейтрино принимает значение, при котором логарифм становится положительным минимальным числом. Кварки соединяются как сумма кварков дающих протон и нейтрон или ядро в целом. Таким образом, электроны образуются из следующих сочетаний лептонов: электрон плюс электронное нейтрино (массу принимаем за 1,1 МэВ/с²); мюон плюс мюонное нейтрино (масса примерно равна 106 МэВ/с²); тау плюс тау нейтрино (масса примерно равна 1797 МэВ/с²). Ядра образуются из следующих сочетаний кварков: три u-кварка плюс три d-кварка (масса равна 27 МэВ/с²); три c-кварка плюс три s-кварка (масса равна 4 2000 МэВ/с²); три t-кварка плюс три b-кварка (масса равна 537 900 МэВ/с²). Суммарные массы по лептонам составляют примерно 1 904 МэВ/с², а по кваркам - 542 127 МэВ/с². Общая же масса всех лептонов и кварков в первоатоме примерно равна 544 031 МэВ/с². Выделенные шесть элементов можно рассматривать как некие энергетические пороги единой формулы: 10/7 = t log π (kπ). Где t принимает значения от некоторого самого большого положительного числа до 10/7. Производим вычисления в порядке возрастания масс элементов. Логарифмируем массы каждого элемента “первоатома” с его общей массой (544 031 МэВ/с²). Получаем следующие примерные значения t : 10/0,05; 10/1,8; 10/2,5; 10/4; 10/4,4; 10/7.
6 месяц назад
0
https://zen.yandex.ru/media/popsci/vovse-ne-elementarnye-chasticy-5c9a6ba60b19fb2f5ad7a9ec Почему, отрицательно-заряженные электроны не падают на ядро атома, положительно заряженное? ... P.S. Да, потому, что по ошибке, наука принимает за электрон некую частицу, вращающуюся вокруг ядра, а надо - шаровой объём с определённой толщиной энергетической оболочки, который априори и не может сжаться до энергетической оболочки атома - "упасть" на ядро атома, поскольку ему пришлось бы симметрично сжаться, преодолевая силу притяжения ядра атома. Да, он - шаровая оболочка "электрона" всё-таки прижимается к ядру с падением температуры, и удаляется от ядра при понижении, но не до касания энергетической оболочки атома. Если бы он - "электрон" был бы некой точечно-заряженной частицей, он бы непременно "упал" бы на ядро атома. А так - энергетическая оболочка "электрона" вращается, если вращается(?)... и не падает на оболочку, даже не соприкасается с оболочкой атома. Для этого необходимо создать определённые квантово-физические условия, вплоть до условий распада атома, например, водорода. Как я полагаю. P.P.S. В более сложных моделях атома, как я предполагаю, "электроны", представляя из себя отрицательно-заряженную шарообразно-энергетическую оболочку, имеют отличительные друг от друга - радиусы/уровни. Получается, что чем более шаров "электронов" в модели атома, тем более сложнее создать квантово-физические условия его распада. Практически, все шарообразные электроны - оболочки, с определённой энергетической толщиной - отрицательно заряженные, в представлении шарообразных энергетических оболочек, имея различные радиусы, представляют модель атома как: отрицательно-заряженная оболочка, например - водорода, - "шар", внутри которого положительно-заряженное ядро, например - водорода, или, как "шар в шаре", или "в шаре - шары", пронизанные энергией субстанции Мироздания... В.А.
7 месяц назад
0
https://zen.yandex.ru/media/id/5bb63eeec626f000b848090f/5c40d9559e0178e9c8672403?from=feed&utm_referrer=https%3A%2F%2Fzen.yandex.com&rid=2720170819.315.1553073208142.40920 Прекрасная аналогия ЭФИРА Мироздания! Выше показана натуральная демонстрация в подобии состояния "пены! СУБСТАНЦИИ ЭФИРА Мироздания, состоящая из невидимых безмассовых пост-квантовых макро-энергетических частиц, внутри которой размещена шарообразность Большой Вселенной, внутри которой - бесчисленное количество Малых! Как наглядная интерпретации космологического устройства, только в виде "ЧИСТОГО" ЭФИРА Мироздания, ЗА оболочкой Большой Вселенной, без материального пяти-процентного вещественного присутствия СРЕДЫ Малых Вселенных! Примите эту аналогию как ЭФИР/"пену" субстанции - "БИСЕР", потенциальная энергия квантовых и пост-квантовых частиц которых, связанных вектор-энергетически! Т.е. - в "пене"/"БИСЕРЕ", в котором размещена Большая Вселенная, а внутри оной - бесчисленное количество Малых Вселенных! Гипотетически... В.А.
Урюкмей Заславский
7 месяц назад
-
0
+
В СМ есть гораздо более важные проблемы, чем притянутая за уши тёмная материя и тёмная энергия. Пусть этим суперсимметрийщики занимаются или Гаррет Лиси :) Вполне достаточно того, что СМ описывает все взаимодействия за исключением гравитации. Например, проблема конфайнмента. Затем проблема большого разброса масс фундаментальных фермионов, то есть кварков и лептонов. Не менее интересна проблема Дираковского монополя. Француз с русскими корнями Жорж Лошак этим занимался. Кстати, кому надо у него хорошая книжка есть Геометризация физики" пдф в свободном доступе Почему не существуют безмассовые частицы без спина? Бозон Хиггса один или их несколько поколений? Он составная частица или элементарная? Случайно ли совпадение числа поколений кварков с размерностью пространства в нашем мире? Какой механизм у асимптотической свободы? Да, много чего ещё. В общем чем дальше в лес, тем толще партизаны. :)
ulogin_vkontakte_5184780
7 месяц назад
-
0
+
Их главная задача объяснить людям существование равенства между свойствами частиц, после добавить замкнутую систему закона сохранения энергии. Но, мы об этом никогда не узнаем, ученые же работают... И так, ответ на апории Зенона был знак "=". Сколько лет ломали голову над этой загадкой? Что дальше делает наука?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.