Oprócz ciemnej materii i ciemnej energii nieznanych nauce, Standardowy Model Fizyki Cząstek ma również trudności z wyjaśnieniem, dlaczego fermiony sumują się do trzech prawie identycznych zbiorów.
Jak na teorię, w której wciąż brakuje dość dużych komponentów, model standardowy cząstek i interakcji okazał się całkiem skuteczny. Uwzględnia wszystko, co na co dzień spotykamy: protony, neutrony, elektrony i fotony, a także egzotyki, takie jak bozon Higgsa i prawdziwe kwarki. Jednak teoria jest niekompletna, ponieważ nie może wyjaśnić takich zjawisk, jak ciemna materia i ciemna energia.
Sukces Modelu Standardowego wynika z faktu, że stanowi on użyteczny przewodnik po cząstkach materii, które znamy. Pokolenia można nazwać jednym z tych ważnych wzorców. Wygląda na to, że każda cząstka materii może mieć trzy różne wersje, różniące się jedynie masą.
Naukowcy zastanawiają się, czy ten wzór ma bardziej szczegółowe wyjaśnienie, czy też łatwiej jest uwierzyć, że jakaś ukryta prawda go zastąpi.
Model standardowy to menu zawierające wszystkie znane cząstki podstawowe, których nie można już podzielić na części składowe. Dzieli się na fermiony (cząsteczki materii) i bozony (cząstki, które przenoszą oddziaływania).
Standardowy model cząstek elementarnych i interakcji / Współpraca ALEPH.
Cząstki materii obejmują sześć kwarków i sześć leptonów. Kwarki są następujące: górny, dolny, zaczarowany, dziwny, prawdziwy i uroczy. Zwykle nie istnieją osobno, ale grupują się razem, tworząc cięższe cząstki, takie jak protony i neutrony. Leptony obejmują elektrony i ich kuzyni, miony i tau, a także trzy rodzaje neutrin (neutrino elektronowe, neutrino mionowe i neutrino tau).
Wszystkie powyższe cząstki są podzielone na trzy „pokolenia”, które dosłownie się kopiują. Kwarki szczytowe, zaklęte i prawdziwe mają ten sam ładunek elektryczny, a także te same oddziaływania słabe i silne: różnią się przede wszystkim masami, jakie daje im pole Higgsa. To samo dotyczy dolnych, dziwnych i ładnych kwarków, a także elektronu, mionu i tau.
Film promocyjny:
Jak wspomniano powyżej, takie różnice mogą coś znaczyć, ale fizycy jeszcze nie zorientowali się, co. Waga większości pokoleń jest bardzo zróżnicowana. Na przykład lepton tau jest około 3600 razy masywniejszy niż elektron, a prawdziwy kwark jest prawie 100 000 razy cięższy niż kwark górny. Różnica ta przejawia się w stabilności: cięższe pokolenia rozpadają się na lżejsze, aż osiągną najłagodniejsze stany, które pozostają na zawsze stabilne (o ile wiadomo).
Pokolenia odgrywają ważną rolę w eksperymentowaniu. Na przykład bozon Higgsa jest niestabilną cząstką, która rozpada się na wiele innych cząstek, w tym leptonów tau. Okazuje się, że ze względu na to, że tau jest najcięższą z cząstek, bozon Higgsa „woli” zamieniać się w tau częściej niż w miony i elektrony. Jak zauważają akceleratory cząstek, najlepszym sposobem badania interakcji pola Higgsa z leptonami jest obserwacja rozpadu bozonu Higgsa na dwa tau.
Rozpad bozonu Higgsa na ładne kwarki / ATLAS Collaboration / CERN.
Ten rodzaj obserwacji leży u podstaw fizyki Modelu Standardowego: zderz dwie lub więcej cząsteczek o siebie i zobacz, które cząstki się pojawiają, a następnie spójrz na pozostałości w poszukiwaniu wzorców - a jeśli masz szczęście, zobaczysz coś, co nie pasuje do twojego obrazu.
I chociaż rzeczy takie jak ciemna materia i ciemna energia wyraźnie nie pasują do nowoczesnych modeli, są pewne problemy z samym modelem standardowym. Na przykład, zgodnie z nią, neutrina powinny być bezmasowe, ale eksperymenty wykazały, że neutrina nadal mają masę, nawet jeśli jest ona niewiarygodnie mała. I w przeciwieństwie do kwarków i leptonów naładowanych elektrycznie, różnica mas między pokoleniami neutrin jest nieznaczna, co wyjaśnia ich fluktuacje między typami.
Nie mając masy, neutrina są nie do odróżnienia od siebie, z masą - są różne. Różnica między ich pokoleniami jest zagadką zarówno dla teoretyków, jak i eksperymentatorów. Jak zauważył Richard Ruiz z University of Pittsburgh: „Jest pewien wzorzec, który nam się przygląda, ale nie możemy dokładnie określić, jak należy go rozumieć”.
Nawet jeśli istnieje tylko jeden bozon Higgsa - ten z Modelu Standardowego - można się wiele nauczyć, obserwując jego interakcje i rozpad. Na przykład zbadanie, jak często bozon Higgsa przekształca się w tau w porównaniu z innymi cząstkami, może sprawdzić ważność Modelu Standardowego, a także uzyskać wskazówki dotyczące istnienia innych pokoleń.
Oczywiście prawie nie ma więcej pokoleń, ponieważ kwark czwartej generacji powinien być znacznie cięższy niż nawet prawdziwy kwark. Ale anomalie w rozpadzie Higgsa wiele mówią.
Znowu dzisiaj żaden z naukowców nie rozumie, dlaczego istnieją dokładnie trzy generacje cząstek materii. Niemniej jednak struktura Modelu Standardowego jest sama w sobie wskazówką co do tego, co może znajdować się poza nim, w tym tak zwanej supersymetrii. Jeśli fermiony mają partnerów supersymetrycznych, muszą mieć również trzy pokolenia. Sposób rozkładu ich mas może pomóc w zrozumieniu rozkładu mas fermionów w Modelu Standardowym, a także w tym, dlaczego pasują do tych konkretnych wzorców.
Supersymetria zakłada istnienie cięższego „superpartnera” / CERN / IES de SAR dla każdej cząstki Modelu Standardowego.
Niezależnie od tego, ile pokoleń cząstek znajduje się we Wszechświecie, sam fakt ich obecności pozostaje tajemnicą. Z jednej strony „pokolenia” to nic innego jak wygodna organizacja cząstek materii w Modelu Standardowym. Jest jednak całkowicie możliwe, że organizacja ta mogłaby przetrwać w głębszej teorii (na przykład teorii, w której kwarki składają się z jeszcze mniejszych hipotetycznych cząstek - preonów), która może wyjaśnić, dlaczego kwarki i leptony wydają się tworzyć te wzory.
W końcu, mimo że Model Standardowy nie jest jeszcze ostatecznym opisem natury, jak dotąd całkiem dobrze wykonał swoją pracę. Im bardziej społeczność naukowa zbliża się do krawędzi mapy nakreślonej przez tę teorię, tym bliżej naukowcom do prawdziwego i dokładnego opisu wszystkich cząstek i ich interakcji.
Vladimir Guillen