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

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).

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.

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.

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.