A tudomány számára ismeretlen sötét anyag és sötét energia mellett a részecskefizika standard modellje nehézségekkel is szembesül azzal, hogy a fermionok miért adnak fel három szinte azonos halmazt.
Egy elmélethez, amelyben még mindig nem léteznek meglehetősen nagy komponensek, a részecskék és interakciók standard modellje meglehetősen sikeres volt. Figyelembe veszi mindazt, amellyel naponta találkozunk: protonokat, neutronokat, elektronokat és fotonokat, valamint az egzotikákat, például a Higgsz-bozonot és az igazi kvarkokat. Az elmélet azonban nem teljes, mivel nem magyarázza meg az olyan jelenségeket, mint a sötét anyag és a sötét energia.
A standard modell sikere annak köszönhető, hogy hasznos útmutatót nyújt az általunk ismert anyagrészecskékhez. A nemzedékeket ezeknek a fontos mintáknak lehet nevezni. Úgy tűnik, hogy az anyag minden részecskéje három különböző változatból állhat, amelyek csak tömegükben különböznek egymástól.
A tudósok azon gondolkodnak, vajon ennek a mintának van-e részletesebb magyarázata, vagy könnyebb-e elhinni, hogy valami rejtett igazság helyettesíti azt.
A standard modell egy olyan menü, amely tartalmazza az összes ismert alapvető részecskét, amelyeket már nem lehet bontani alkotóelemeikre. Osztva van fermionokká (anyagrészecskék) és boszonokká (kölcsönhatásokat hordozó részecskékké).
Az elemi részecskék és kölcsönhatások standard modellje / ALEPH együttműködés.
Az anyag részecskéi hat kvarkot és hat leptont tartalmaznak. A kvarkok a következők: felső, alsó, elbűvölt, furcsa, igaz és imádnivaló. Általában nem léteznek külön, hanem csoportosulnak, hogy nehezebb részecskéket képezzenek, mint például protonok és neutronok. A leptonok közé tartoznak az elektronok és unokatestvéreik, muonok és tau, valamint háromféle neutrinó (elektron-neutrino, muonic neutrino és tau-neutrino).
A fenti részecskék mind három "generációra" oszlanak, amelyek szó szerint másolják egymást. A felső, elbűvölt és az igaz kvarkok azonos elektromos töltéssel, ugyanolyan gyenge és erős kölcsönhatásokkal rendelkeznek: elsősorban azokban a tömegekben különböznek, amelyeket a Higgs-mező ad nekik. Ugyanez vonatkozik a lefelé, furcsa és csinos kvarcokra, valamint az elektronra, a muonra és a tau-ra.
Promóciós videó:
Mint fentebb említettük, ezek a különbségek jelenthetnek valamit, de a fizikusok még nem tudták kitalálni, mit. A legtöbb generáció súlya nagyban különbözik. Például egy tau lepton körülbelül 3600-szor tömegebb, mint egy elektron, és egy igazi kvarc majdnem 100 000-szer nehezebb, mint egy felfelé irányuló kvarc. Ez a különbség a stabilitásban nyilvánul meg: a nehezebb generációk könnyebbekre bomlanak, amíg el nem érik a legenyhébb állapotokat, amelyek örökké stabilak maradnak (amennyire ismert).
A generációk fontos szerepet játszanak a kísérletezésben. Például a Higgs-bozon egy instabil részecske, amely sok más részecskére bomlik, beleértve a tau leptoneket. Kiderült, hogy mivel a tau a legkeményebb részecskékkel rendelkezik, a Higg-boszon inkább tau-ra fordul, mint muonokra és elektronokra. Amint a részecskegyorsítók megjegyzik, a Higgs-mező és a leptonok közötti kölcsönhatások tanulmányozásának legjobb módja a Higgs-boszon két tau-ra bomlásának megfigyelése.
A Higgs-bozon bomlása szép kvarkokba / ATLAS Együttműködés / CERN.
Az ilyen típusú megfigyelés a standard modell fizikájának középpontjában áll: döntsön két vagy több részecskét egymás ellen, és megnézze, melyik részecske jelenik meg, majd keresse meg a minták maradványait - és ha szerencséd van, látni fog valamit, ami nem felel meg a képének.
És bár a sötét anyag és a sötét energia nyilvánvalóan nem illeszkedik a modern modellekhez, vannak problémák maga a standard modellnél. Például szerint ez a neutrinók tömegesek legyenek, de a kísérletek kimutatták, hogy a neutrinók tömege még akkor is fennáll, ha hihetetlenül kicsi. És a kvarkokkal és az elektromos töltésű leptonokkal ellentétben a neutrínók generációi közötti tömegkülönbség jelentéktelen, ami magyarázza ezek típusok közötti ingadozását.
Mivel nincs tömeg, a neutrinók megkülönböztethetők egymástól, tömegükkel - különböznek egymástól. A nemzedékek közötti különbség mind az elméleteket, mind a kísérletezőket rejti. Ahogyan Richard Ruiz a Pittsburghi Egyetemen rámutatott: "Van egy minta, amely ránk néz, de nem tudjuk pontosan kitalálni, hogyan kell ezt megérteni."
Még akkor is, ha csak egy Higgs-bozon létezik - a standard modellben -, akkor még sok tanulni kell annak kölcsönhatásainak és a bomlásnak a megfigyelésével. Például annak megvizsgálása, hogy a Higgs-boszon milyen gyakran transzformálódik tau-ra más részecskékkel összehasonlítva, megvizsgálhatja a standard modell érvényességét, és megismerheti más generációk létezését.
Természetesen alig van több generáció, mivel a negyedik generációs kvarkknak sokkal nehezebbnek kell lennie, mint akár egy igazi kvarkénak. De a Higgs-i bomlás rendellenességei sokat mondanak.
Ma ismét egyik tudós sem érti, miért létezik pontosan három generáció az anyagrészecskékből. Mindazonáltal a standard modell felépítése önmagában utal arra, ami rajta kívül rejlik, beleértve a szuperszimmetriát. Ha a fermionoknak szimmetrikus partnerük van, akkor ezeknek három generációnak is hosszúnak kell lenniük. A tömeg eloszlása segít megérteni a fermionok tömeg eloszlását a standard modellben, valamint azt, hogy miért illeszkednek ezekbe a sajátos mintákba.
A szuperszimmetria feltételezi, hogy a standard modell minden részecskéje számára nehezebb "szuperpartner" / CERN / IES de SAR létezik.
Függetlenül attól, hogy hány részecskegeneráció létezik az univerzumban, jelenlétük ténye továbbra is rejtély. Egyrészt a „generációk” nem más, mint az anyagrészecskék kényelmes szervezése a standard modellben. Valószínűleg azonban lehetséges, hogy ez a szervezet egy mélyebb elméletben is fennmaradhat (például egy olyan elméletben, ahol a kvarkok még kisebb hipotetikus részecskékből - preonokból állnak), amely megmagyarázhatja, hogy a kvarkok és a leptonok miért képezik ezeket a mintákat.
Végül is, bár a standard modell még nem határozza meg a természet természetét, ez idáig meglehetősen jól végzett. Minél közelebb kerül a tudományos közösség az ezen elmélet által rajzolt térkép széléhez, annál közelebb kerülnek a tudósok az összes részecske és kölcsönhatásuk valós és pontos leírásához.
Vladimir Guillen