Lisaks teadusele tundmatule tumedale ainele ja tumedale energiale on tahkete osakeste füüsika standardmudelil ka raskusi selgitades, miks fermioonid moodustavad kolm peaaegu ühesugust komplekti.
Teooria jaoks, millel puuduvad endiselt üsna suured komponendid, on osakeste ja interaktsioonide standardmudel olnud üsna edukas. See võtab arvesse kõike, mida me igapäevaselt kohtame: prootonid, neutronid, elektronid ja footonid, aga ka eksootikad nagu Higgsi boson ja tõelised kvargid. Teooria on siiski puudulik, kuna see ei suuda seletada selliseid nähtusi nagu tumeaine ja tume energia.
Standardmudeli edu on tingitud asjaolust, et see annab meile kasuliku juhendi aineosakeste kohta. Põlvkondi võib nimetada üheks neist olulistest mustritest. Näib, et igal aineosakesel võib olla kolm erinevat versiooni, mis erinevad ainult massi järgi.
Teadlased tahavad teada, kas sellel mustril on üksikasjalikum selgitus või on lihtsam uskuda, et mõni varjatud tõde selle asendab.
Standardmudel on menüü, mis sisaldab kõiki teadaolevaid põhiosakesi, mida ei saa enam nende osadeks jagada. See jaguneb fermioonideks (aineosakesed) ja bosoonideks (osakesteks, mis kannavad vastastikmõjusid).
Elementaarosakeste ja interaktsioonide standardmudel / ALEPH koostöö.
Aineosakesed sisaldavad kuut kvarki ja kuut leptoni. Kvargid on järgmised: ülemine, alumine, võluv, kummaline, tõeline ja jumalik. Neid ei eksisteeri tavaliselt eraldi, vaid rühmitatakse raskemate osakeste moodustamiseks nagu prootonid ja neutronid. Leptonite hulka kuuluvad elektronid ja nende nõod, kuunid ja tau, aga ka kolme tüüpi neutriinod (elektronneutrino, müoonneutrino ja tau-neutriino).
Kõik ülaltoodud osakesed jagunevad kolmeks "põlvkonnaks", mis sõna otseses mõttes kopeerivad üksteist. Ülemisel, võlutud ja tõelisel kvarkil on sama elektrilaeng, sama nõrk ja tugev vastasmõju: need erinevad peamiselt masside järgi, mida Higgsi väli neile annab. Sama kehtib allapoole jäävate, kummaliste ja ilusate kvarkide, aga ka elektronide, müonide ja tau-de kohta.
Reklaamvideo:
Nagu eespool mainitud, võivad sellised erinevused midagi tähendada, kuid füüsikud pole veel välja mõelnud, mida. Enamiku põlvkondade kaal on väga erinev. Näiteks tau lepton on umbes 3600 korda massiivsem kui elektron ja tõeline kvark on peaaegu 100 000 korda raskem kui üles kvark. See erinevus avaldub stabiilsuses: raskemad põlvkonnad lagunevad kergemateks, kuni jõuavad kõige kergematesse seisunditesse, mis püsivad igavesti stabiilsena (niipalju kui teada).
Põlvkonnad mängivad eksperimenteerimisel olulist rolli. Näiteks on Higgsi boson ebastabiilne osake, mis laguneb paljudeks teisteks osakesteks, sealhulgas tau leptoniteks. Selgub, et kuna tau on osakestest kõige raskem, eelistab Higgsi boson muutuda tauiks sagedamini kui kuunideks ja elektronideks. Nagu osakeste kiirendid märgivad, on parim viis uurida Higgsi välja koostoimeid leptoonidega, kui jälgida Higgsi bosoni lagunemist kaheks tau-ks.
Higgsi bosoni lagunemine päris kvarkideks / ATLAS koostöö / CERN.
Seda tüüpi vaatlus on tüüpmudeli füüsika keskmes: põrutage kaks või enam osakest üksteise vastu ja vaadake, millised osakesed ilmuvad, siis otsige mustrite jääke - ja kui teil veab, näete midagi, mis teie pildile ei sobi.
Ja kuigi sellised asjad nagu tumeaine ja tume energia ei sobi tänapäevastesse mudelitesse, on standardmudeli endaga siiski probleeme. Näiteks peaksid selle järgi olema neutriinod massid, kuid katsed on näidanud, et neutriinodel on mass, isegi kui see on uskumatult väike. Ja erinevalt kvarkidest ja elektriliselt laetud leptonitest on neutriino põlvkondade masside erinevus ebaoluline, mis seletab nende kõikumist ühelt tüübilt teisele.
Massi puudumisel on neutriinod üksteisest eristamatud, massiga - nad on erinevad. Nende põlvkondade erinevus mõistatusi nii teoreetikuid kui ka eksperimenteerijaid. Nagu märkis Richard Ruiz Pittsburghi ülikoolist, "on muster, mis meid vahtib, kuid me ei saa täpselt aru, kuidas seda tuleks mõista."
Isegi kui on ainult üks Higgsi boson - tüüpmudelis -, on selle koosmõju ja lagunemist jälgides palju õppida. Näiteks saab uurida, kui sageli Higgsi boson muundub tau-na võrreldes teiste osakestega, testida standardmudeli kehtivust ja saada vihjeid teiste põlvkondade olemasolu kohta.
Muidugi pole enam ühtegi põlvkonda, kuna neljanda põlvkonna kvark peaks olema palju raskem kui isegi tõeline kvark. Kuid kõrvalekalded Higgsi lagunemises räägivad palju.
Täna ei saa jällegi keegi teadlastest aru, miks on täpselt kolm põlvkonda mateeria osakesi. Sellegipoolest on standardmudeli struktuur ise aimdus sellest, mis võib sellest väljaspool paikneda, sealhulgas nn üldsümmeetria. Kui fermioonidel on supersümmeetrilised partnerid, peavad nad olema ka kolme põlvkonna pikkused. Nende masside jaotumine aitab mõista fermioonide massjaotust standardmudelis ja seda, miks nad sobivad nendesse konkreetsetesse mustritesse.
Supersümmeetria eeldab, et standardmudeli iga osakese jaoks on raskem "superpartner" / CERN / IES de SAR.
Sõltumata sellest, mitu osakeste põlvkonda Universumis on, jääb nende olemasolu tõsiasi saladuseks. Ühest küljest ei tähenda „põlvkonnad” midagi muud kui ainuosakeste mugav korraldamine standardmudelis. Siiski on täiesti võimalik, et see organisatsioon võiks ellu jääda sügavamas teoorias (näiteks teooria, kus kvargid koosnevad veelgi väiksematest hüpoteetilistest osakestest - preoonidest), mis võib selgitada, miks kvargid ja leptonid näivad moodustavat neid mustreid.
Lõppude lõpuks, ehkki standardmudel ei ole veel looduse lõplik kirjeldus, on ta oma töö siiani üsna hästi teinud. Mida rohkem teadusringkonnad lähenevad selle teooria joonistatud kaardi servadele, seda lähemale jõuavad teadlased kõigi osakeste ja nende koostoimete tõese ja täpse kirjelduseni.
Vladimir Guillen
