stringtranslate.com

Генерация (физика элементарных частиц)

В физике элементарных частиц поколение или семья — это подразделение элементарных частиц . Между поколениями частицы различаются по своему ароматическому квантовому числу и массе , но их электрические и сильные взаимодействия идентичны.

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, существует три поколения. Каждое поколение содержит два типа лептонов и два типа кварков . Два лептона можно классифицировать на один с электрическим зарядом −1 (электроноподобный) и нейтральный (нейтрино); два кварка можно классифицировать на один с зарядом − 1 ⁄ 3 (нижний тип) и один с зарядом + 2 ⁄ 3 (верхний тип). Основные характеристики поколения или семейств кварк-лептонов, такие как их массы и смешивания и т. д., можно описать некоторыми из предложенных симметрий семейств .

Обзор

Каждый член более высокого поколения имеет большую массу, чем соответствующая частица предыдущего поколения, за возможным исключением нейтрино ( чьи небольшие, но ненулевые массы не были точно определены). Например, электрон первого поколения имеет массу всего0,511  МэВ/ c2 , мюон второго поколения имеет массу106 МэВ/ с2 , а тау третьего поколения имеет массу1777 МэВ/ c2 (почти вдвое тяжелее протона ) . Эта иерархия масс [1] заставляет частицы более высоких поколений распадаться до первого поколения, что объясняет, почему обычная материя ( атомы ) состоит только из частиц первого поколения. Электроны окружают ядро , состоящее из протонов и нейтронов , которые содержат верхние и нижние кварки. Второе и третье поколения заряженных частиц не встречаются в обычной материи и наблюдаются только в чрезвычайно высокоэнергетических средах, таких как космические лучи или ускорители частиц . Термин поколение был впервые введен Хаимом Харари в летней школе Les Houches в 1976 году. [2] [3]

Нейтрино всех поколений циркулируют по всей Вселенной, но редко взаимодействуют с другой материей. [4] Есть надежда, что всестороннее понимание взаимосвязи между поколениями лептонов может в конечном итоге объяснить соотношение масс фундаментальных частиц и пролить дополнительный свет на природу массы в целом с квантовой точки зрения. [5]

Четвертое поколение

Четвертое и последующие поколения считаются маловероятными многими (но не всеми) физиками-теоретиками. Некоторые аргументы против возможности четвертого поколения основаны на тонких модификациях точных электрослабых наблюдаемых, которые могли бы быть вызваны дополнительными поколениями; такие модификации решительно не приветствуются измерениями. Более того, четвертое поколение с «легким» нейтрино (с массой менее примерно45 ГэВ/ c2 ) была исключена измерениями ширин распада Z-бозона на Большом электрон-позитронном коллайдере ( LEP) ЦЕРНа . [6] Тем не менее, поиски частиц четвертого поколения на высокоэнергетических коллайдерах продолжаются, но пока никаких доказательств не обнаружено. [7] В таких поисках частицы четвертого поколения обозначаются теми же символами, что и частицы третьего поколения, с добавлением штриха (например, b′ и t′ ).

Нижняя граница для масс четвертого поколения кварков ( b′ , t′ ) в настоящее время составляет 1,4 ТэВ по данным экспериментов на LHC. [8]

Нижняя граница массы нейтрино четвертого поколения ( ν' τ ) в настоящее время составляет около 60 ГэВ (в миллионы раз больше верхней границы для трех других масс нейтрино). [9]

Нижняя граница массы заряженного лептона четвертого поколения ( τ' ) в настоящее время составляет 100 ГэВ, а предлагаемая верхняя граница составляет 1,2 ТэВ из соображений унитарности. [10]

Если формула Коиде продолжает действовать, то масса заряженного лептона четвертого поколения составит 44 ГэВ (исключено), а b′ и t′ должны быть 3,6 ТэВ и 84 ТэВ соответственно. (Максимально возможная энергия для протонов в LHC составляет около 6 ТэВ.)

Источник

Нерешенная задача по физике :
Почему существуют три поколения кварков и лептонов? Существует ли теория, которая может объяснить массы конкретных кварков и лептонов в конкретных поколениях из первых принципов (теория связей Юкавы)?
(еще нерешенные проблемы по физике)

Происхождение множественных поколений фермионов и конкретное число 3 является нерешенной проблемой физики . Теория струн дает причину для множественных поколений, но конкретное число зависит от деталей компактификации пересечений D -бран . Кроме того, теории великого объединения E 8 в 10 измерениях, компактифицированные на определенных орбифолдах до 4 D, естественным образом содержат 3 поколения материи. [11] Это включает в себя многие гетеротические модели теории струн .

В стандартной квантовой теории поля при определенных предположениях одно фермионное поле может порождать несколько фермионных полюсов с массовыми отношениями около e π ≈ 23 и e 2 π ≈ 535, что потенциально объясняет большие отношения фермионных масс между последовательными поколениями и их происхождением. [1]    

Существование ровно трех поколений с правильной структурой было по крайней мере предварительно выведено из первых принципов через связь с гравитацией. [12] Результат подразумевает объединение калибровочных сил в SU(5) . Вопрос относительно масс не решен, но это логически отдельный вопрос, связанный с сектором Хиггса теории.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Blumhofer, A.; Hutter, M. (1997). "Структура семейства из периодических решений улучшенного уравнения щели". Nuclear Physics B . 484 (1): 80–96. Bibcode :1997NuPhB.484...80B. CiteSeerX 10.1.1.343.783 . doi :10.1016/S0550-3213(96)00644-X.  (Опечатка:  doi :10.1016/S0550-3213(97)00228-9)
  2. ^ Harari, H. (5 июля – 14 августа 1976 г.). Balian, R.; Llewellyn-Smith, CH (ред.). Beyond charm. Weak and Electromagnetic Interactions at High Energy. Les Houches Summer School Proceedings . Vol. 29. Les Houches, France: North-Holland (опубликовано в 1977 г.). стр. 613. Архивировано из оригинала 12 декабря 2012 г.
  3. ^ Харари, Х. (1977). "Три поколения кварков и лептонов" (PDF) . В ван Гоэлере, Э.; Вайнштейне, Р. (ред.). Труды XII Rencontre de Moriond . стр. 170. SLAC-PUB-1974.
  4. ^ «Эксперимент подтверждает известную физическую модель». Пресс-служба MIT (пресс-релиз). Массачусетский технологический институт . 18 апреля 2007 г.
  5. ^ Mac Gregor, MH (2006). «Дерево масс мюонов с α-квантованными массами лептона, кварка и адрона». arXiv : hep-ph/0607233 .
  6. ^ Decamp, D.; et al. ( Сотрудничество ALEPH ) (1989). «Определение числа видов легких нейтрино». Physics Letters B. 231 ( 4): 519–529. Bibcode : 1989PhLB..231..519D. doi : 10.1016/0370-2693(89)90704-1. hdl : 11384/1735 .
  7. ^ Амслер, К.; и др. ( Particle Data Group ) (2008). "b′ (4th Generation) Quarks, searches for" (PDF) . Physics Letters B. Review of Particle Physics. 667 (1): 1–1340. Bibcode : 2008PhLB..667....1A. doi : 10.1016/j.physletb.2008.07.018. hdl : 1854/LU-685594 . S2CID  227119789.
  8. ^ CMS Collaboration (8 мая 2019 г.). "Усиление поиска кварков четвертого поколения". CERN Courier . Отчет об эксперименте CMS.
  9. ^ Карпентер, Линда М.; Раджараман, Арвинд (декабрь 2010 г.). «Пересмотр ограничений на массы нейтрино четвертого поколения». Physical Review D . 82 (11): 114019. arXiv : 1005.0628 . Bibcode :2010PhRvD..82k4019C. doi :10.1103/PhysRevD.82.114019. S2CID  119175322. АННОТАЦИЯ : Мы пересматриваем текущие экспериментальные границы масс майорановских нейтрино четвертого поколения, включая эффекты правосторонних нейтрино. Текущие границы из LEP-II значительно изменены глобальным анализом. Мы показываем, что текущие границы для нейтрино четвертого поколения, распадающихся на e W и μ W, могут быть снижены примерно до 80 ГэВ (с текущей границы 90 ГэВ), в то время как нейтрино, распадающееся на τ W, может быть всего лишь 62,1 ГэВ. Ослабленная граница открывает канал распада нейтрино для промежуточной массы Хиггса и интересные многочастичные конечные состояния для Хиггса и распадов лептонов четвертого поколения.
  10. ^ Dighe, Amol; Ghosh, Diptimoy; ​​Godbole, Rohini M.; Prasath, Arun (2012). "Расщепления больших масс для фермионов четвертого поколения, разрешенные исключением бозона Хиггса LHC". Physical Review D. 85 ( 11): 114035. arXiv : 1204.3550 . Bibcode : 2012PhRvD..85k4035D. doi : 10.1103/PhysRevD.85.114035. S2CID  119204685.
  11. ^ Motl, Luboš (13 июля 2021 г.). «The «pure joy» E8 SUSY toroidal orbifold TOE». The Reference Frame (блог) . Получено 23 августа 2021 г. – через motls.blogspot.com.
  12. ^ van der Bij, JJ (28 декабря 2007 г.). "Космотопологическое соотношение для единой теории поля". Physical Review D. 76 ( 12): 121702. arXiv : 0708.4179 . doi :10.1103/PhysRevD.76.121702.