Tiedelle tuntemattoman tumman aineen ja tumman energian lisäksi hiukkasfysiikan standardimallissa on myös vaikeuksia selittää, miksi fermionit muodostavat kolme melkein identtistä joukkoa.
Hiukkasten ja vuorovaikutusten vakiomalli on menestynyt teoriassa, josta puuttuu vielä melko suuria komponentteja. Se ottaa huomioon kaiken, mitä kohtaamme päivittäin: protonit, neutronit, elektronit ja fotonit, samoin kuin eksoottiset tuotteet, kuten Higgsin bosoni ja todelliset kvarkit. Teoria on kuitenkin puutteellinen, koska se ei voi selittää ilmiöitä, kuten tumma aine ja tumma energia.
Vakiomallin menestys johtuu siitä, että se tarjoaa hyödyllisen oppaan tuntemistammemme ainehiukkasille. Sukupolvia voidaan kutsua yhdeksi näistä tärkeistä malleista. Näyttää siltä, että jokaisella ainehiukkasella voi olla kolme erilaista versiota, jotka eroavat vain massasta.
Tutkijat ihmettelevät, onko tällä mallilla tarkempi selitys vai onko helpompaa uskoa, että jokin piilotettu totuus korvaa sen.
Vakiomalli on valikko, joka sisältää kaikki tunnetut perushiukkaset, joita ei voida enää jakaa niiden komponentteihin. Se on jaettu fermioneihin (ainepartikkelit) ja bosoneihin (hiukkasiin, jotka kantavat vuorovaikutuksia).
Alkuhiukkasten ja vuorovaikutusten standardimalli / ALEPH-yhteistyö.
Ainepartikkelit sisältävät kuusi kvarkkia ja kuusi leptonia. Kvarkit ovat seuraavat: yläosa, alaosa, hurmaava, omituinen, tosi ja ihana. Niitä ei yleensä ole erikseen, vaan ryhmittyvät yhdessä raskaampien hiukkasten, kuten protonien ja neutronien, muodostamiseksi. Leptoneihin sisältyvät elektronit ja niiden serkut, kuikot ja tau, samoin kuin kolmen tyyppiset neutriinot (elektroninen neutriino, muoni-neutriino ja tau-neutriino).
Kaikki yllä olevat hiukkaset on jaettu kolmeen "sukupolveen", jotka kirjaimellisesti kopioivat toisiaan. Yläosassa, hurmioiduissa ja tosi kvarkeissa on sama sähkövaraus, samoin heikot ja vahvat vuorovaikutukset: ne eroavat ensisijaisesti massoista, jotka Higgs-kenttä antaa heille. Sama koskee untuvia, outoja ja kauniita kvarkkeja, samoin kuin elektronia, muonia ja tau: ta.
Mainosvideo:
Kuten edellä mainittiin, sellaiset erot saattavat tarkoittaa jotain, mutta fyysikot eivät ole vielä selvittäneet mitä. Useimpien sukupolvien paino vaihtelee suuresti. Esimerkiksi tau lepton on noin 3 600 kertaa massiivisempi kuin elektroni, ja todellinen kvarkki on melkein 100 000 kertaa raskaampi kuin ylös kvarkki. Tämä ero ilmenee vakaudessa: raskaammat sukupolvet hajoavat kevyemmiksi, kunnes ne saavuttavat miedimmat tilat, jotka pysyvät vakaina ikuisesti (sikäli kuin tiedetään).
Sukupolvilla on tärkeä rooli kokeilussa. Esimerkiksi Higgs-bosoni on epästabiili hiukkas, joka hajoaa moniksi muiksi hiukkasiksi, mukaan lukien tau-leptonit. Osoittautuu, että johtuen siitä tosiseikasta, että tau on raskaimpia hiukkasia, Higgin bosoni "mieluummin" muuttuu tauiksi useammin kuin muoneiksi ja elektroniksi. Kuten hiukkaskiihdyttimet huomauttavat, paras tapa tutkia Higgs-kentän vuorovaikutusta leptonien kanssa on tarkkailemalla Higgsin bosonin hajoamista kahteen tau: iin.
Higgs-bosonin hajoaminen kauniiksi kvarkoiksi / ATLAS-yhteistyö / CERN.
Tämäntyyppinen havainto on standardimallin fysiikan ytimessä: törmää kaksi tai useampia hiukkasia toisiaan vasten ja katso, mitkä hiukkaset ilmestyvät, katso sitten kuvioiden jäännöksiä - ja jos olet onnekas, näet jotain, joka ei sovi kuvaan.
Ja vaikka sellaiset asiat kuin tumma aine ja tumma energia eivät selvästikään sovi nykyaikaisiin malleihin, itse standardimallissa on joitain ongelmia. Esimerkiksi sen mukaan neutriinojen tulisi olla massattömiä, mutta kokeet ovat osoittaneet, että neutriinoilla on edelleen massaa, vaikka se olisi uskomattoman pieni. Ja toisin kuin kvarkit ja sähköisesti varautuneet leptonit, neutriinisukupolvien välinen massaero on merkityksetön, mikä selittää niiden vaihtelut tyypistä toiseen.
Koska ei ole massaa, neutriinoja ei voida erottaa toisistaan, massan kanssa - ne ovat erilaisia. Sukupolvien välinen ero hämmentää sekä teoreetikoita että kokeilijoita. Kuten Richard Ruiz Pittsburghin yliopistosta huomautti, "meitä tuijottaa malli, mutta emme voi selvittää tarkalleen, kuinka se tulisi ymmärtää."
Vaikka on vain yksi Higgs-bosoni - yksi vakiomallissa -, on paljon opittavaa tarkkailemalla sen vuorovaikutuksia ja rappeutumista. Esimerkiksi tutkimalla kuinka usein Higgs-bosoni muuttuu tau: ksi verrattuna muihin hiukkasiin, voidaan testata standardimallin pätevyys ja saada vihjeitä muiden sukupolvien olemassaolosta.
Tietenkin tuskin on enää sukupolvia, koska neljännen sukupolven kvarkin tulisi olla paljon raskaampi kuin edes todellinen kvarkki. Mutta poikkeavuudet Higgsin hajoamisessa kertovat paljon.
Tänään taaskään kukaan tutkijoista ei ymmärrä miksi ainehiukkasia on tarkalleen kolme sukupolvea. Siitä huolimatta vakiomallin rakenne on itsessään vihje siitä, mikä voi olla sen ulkopuolella, mukaan lukien niin kutsuttu supersymmetria. Jos fermioneilla on supersymmetrisiä kumppaneita, niiden on myös oltava kolmen sukupolven pituisia. Se, kuinka niiden massat jakautuvat, voi auttaa ymmärtämään fermionien massajakaumaa vakiomallissa ja miksi ne sopivat näihin erityisiin malleihin.
Supersymmetria olettaa raskaamman "superpartner" / CERN / IES de SAR olemassaolon standardimallin jokaiselle hiukkaselle.
Riippumatta siitä, kuinka monta hiukkassukupolvea maailmankaikkeudessa on, niiden olemassaolon tosiasia on edelleen mysteeri. Yhtäältä”sukupolvet” ovat muuta kuin kätevää ainehiukkasten organisointia standardimallissa. On kuitenkin täysin mahdollista, että tämä organisaatio voisi selviytyä syvemmässä teoriassa (esimerkiksi teoria, jossa kvarkit koostuvat vielä pienemmistä hypoteettisista hiukkasista - preoneista), mikä voi selittää miksi kvarkit ja leptonit näyttävät muodostavan nämä kuviot.
Loppujen lopuksi, vaikka vakiomalli ei ole vielä lopullinen kuvaus luonnosta, se on toistaiseksi tehnyt tehtävänsä melko hyvin. Mitä enemmän tiedeyhteisö lähestyy tämän teorian piirtämän kartan reunoja, sitä lähempänä tiedemiehet pääsevät oikeaan ja tarkkaan kuvaukseen kaikista hiukkasista ja niiden vuorovaikutuksista.
Vladimir Guillen