Закрыть10

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

24 фев Руслан Зораб Комментариев: 3

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.

14.7K
Выбор редакции

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

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

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

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.

С точки зрения науки

Naked Science Facebook VK Twitter
14.7K
Комментарии
7 ч
Философский закончить надо полагаю.
8 ч
Он не был одноразовым, Ту-143 приземлялся на парашюте...
Сегодня
Разрабатывать можно бесконечно. Вот когда современные...
Комментарии
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?
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. :)
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.

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку