Генерация (физика элементарных частиц)

Деление элементарных частиц

В физике элементарных частиц поколение или семья — это разделение элементарных частиц . Между поколениями частицы различаются ароматным квантовым числом и массой , 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 разделить на один с электрическим зарядом -1 (электроноподобный) и нейтральный (нейтрино); два кварка можно разделить на один с зарядом − 1 ⁄ 3 (нижний тип) и один с зарядом + 2 ⁄ 3 (верхний тип). Основные особенности генерации или семейств кварков-лептонов, такие как их массы, смешивание и т. д., могут быть описаны с помощью некоторых из предложенных симметрий семейств .

Обзор

Каждый представитель более высокого поколения имеет большую массу, чем соответствующая частица предыдущего поколения, за исключением, возможно, нейтрино ( чьи небольшие, но ненулевые массы точно не определены). Например, электрон первого поколения имеет массу всего0,511  МэВ/ с ² , мюон второго поколения имеет массу106 МэВ/ c ² , а тау третьего поколения имеет массу1777 МэВ/ с ² (почти в два раза тяжелее протона ). Эта иерархия масс ^[1] приводит к распаду частиц более высоких поколений до первого поколения, что объясняет, почему повседневная материя ( атомы ) состоит из частиц только первого поколения. Электроны окружают ядро , состоящее из протонов и нейтронов , содержащее верхние и нижние кварки. Второе и третье поколения заряженных частиц не встречаются в обычной материи и наблюдаются только в средах с чрезвычайно высокими энергиями, таких как космические лучи или ускорители частиц . Термин « поколение» впервые был введен Хаимом Харари в Летней школе Ле Уша в 1976 году. ^{[2] [3]}

Нейтрино всех поколений циркулируют по 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

Многие (но не все) физики-теоретики считают четвертое и последующие поколения маловероятными. Некоторые аргументы против возможности четвертого поколения основаны на тонких модификациях точных электрослабых наблюдаемых, которые могут вызвать дополнительные поколения; такие модификации категорически не одобряются измерениями. Кроме того, четвертое поколение с «легким» нейтрино (с массой менее примерно45 ГэВ/ c ² ) было исключено измерениями ширины распада Z-бозона на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) ЦЕРН . ^[6] Тем не менее, поиски частиц четвертого поколения на коллайдерах высоких энергий продолжаются, но доказательств пока не обнаружено. ^[7] В таких поисках частицы четвертого поколения обозначаются теми же символами, что и частицы третьего поколения, с добавленным штрихом (например, b' и t' ).

Нижняя граница масс кварков ( b' , t' ) четвертого поколения в настоящее время составляет 1,4 ТэВ по результатам экспериментов на БАКе. ^[8]

Нижняя граница массы нейтрино четвертого поколения ( ) в настоящее время составляет около 60 ГэВ (в миллионы раз больше, чем верхняя граница для масс остальных трех нейтрино). ^[9] ${\displaystyle ~\nu _{\tau }'~}$

Нижняя граница массы заряженного лептона четвертого поколения ( ) в настоящее время составляет 100 ГэВ, а предлагаемая верхняя граница составляет 1,2 ТэВ из соображений унитарности. ^[10] ${\displaystyle \tau '}$

Если формула Койде продолжит выполняться, массы заряженного лептона четвертого поколения составят 44 ГэВ (исключено), а b' и t' должны составлять 3,6 ТэВ и 84 ТэВ соответственно. (Максимально возможная энергия протонов в БАК составляет около 6 ТэВ.)

Источник

Нерешенная задача по физике :

Почему существует три поколения кварков и лептонов? Существует ли теория, которая может объяснить массы конкретных кварков и лептонов в определенных поколениях из первых принципов (теория связей Юкавы)?

(еще нерешенные задачи по физике)

Происхождение нескольких поколений фермионов и конкретное число 3 — нерешенная проблема физики . Теория струн дает причину появления нескольких поколений, но конкретное число зависит от деталей компактификации пересечений D -бран . Кроме того, теории Великого объединения E 8 в 10 измерениях, компактизированные на определенных орбифолдах вплоть до 4-D, естественным образом содержат 3 поколения материи. ^[11] Сюда входят многие модели гетеротической теории струн . В стандартной квантовой теории поля при определенных предположениях одно фермионное поле может порождать несколько фермионных полюсов с отношениями масс около e ^π ≈ 23 и e ^2π ≈ 535, что потенциально объясняет большие отношения масс фермионов между последовательными поколениями и их происхождением. ^[1]

Смотрите также

• Теория Великого Объединения
• Формула Койде
• Иерархия масс нейтрино

Рекомендации

1. Блюмхофер, А.; Хаттер, М. (1997). «Структура семейства из периодических решений улучшенного уравнения щели». Ядерная физика Б . 484 (1): 80–96. Бибкод : 1997NuPhB.484...80B. CiteSeerX 10.1.1.343.783 . дои : 10.1016/S0550-3213(96)00644-X.  (Ошибка:  doi :10.1016/S0550-3213(97)00228-9)
2. Харари, Х. (5 июля - 14 августа 1976 г.). Балиан, Р.; Ллевеллин-Смит, CH (ред.). За гранью очарования. Слабые и электромагнитные взаимодействия при высоких энергиях. Материалы летней школы Les Houches . Том. 29. Лез Уш, Франция: Северная Голландия (опубликовано в 1977 г.). п. 613. Архивировано из оригинала 12 декабря 2012 года.
3. Харари, Х. (1977). «Три поколения кварков и лептонов» (PDF) . Ван Гёлер, Э.; Вайнштейн Р. (ред.). Материалы XII Rencontre de Moriond . п. 170. СЛАК-ПУБ-1974.
4. «Эксперимент подтверждает известную физическую модель» . Пресс-служба MIT (пресс-релиз). Массачусетский Институт Технологий . 18 апреля 2007 г.
5. Мак Грегор, MH (2006). «Дерево масс мюонов» с α-квантованными массами лептонов, кварков и адронов». arXiv : hep-ph/0607233 .
6. Декамп, Д.; и другие. ( сотрудничество АЛЕФ ) (1989). «Определение количества разновидностей легких нейтрино». Буквы по физике Б. 231 (4): 519–529. Бибкод : 1989PhLB..231..519D. дои : 10.1016/0370-2693(89)90704-1.
7. Амслер, К.; и другие. ( Группа данных о частицах ) (2008). «Кварки b' (4-го поколения), поиск» (PDF) . Буквы по физике Б. Обзор физики элементарных частиц. 667 (1): 1–1340. Бибкод : 2008PhLB..667....1A. doi :10.1016/j.physletb.2008.07.018. hdl : 1854/LU-685594 . S2CID  227119789.
8. Сотрудничество CMS (8 мая 2019 г.). «Ускорение поиска кварков четвертого поколения». ЦЕРН Курьер . Отчет об эксперименте CMS.
9. Карпентер, Линда М.; Раджараман, Арвинд (декабрь 2010 г.). «Пересмотр ограничений на массы нейтрино четвертого поколения». Физический обзор D . 82 (11): 114019. arXiv : 1005.0628 . Бибкод : 2010PhRvD..82k4019C. doi : 10.1103/PhysRevD.82.114019. S2CID  119175322. АННОТАЦИЯ : Мы возвращаемся к текущим экспериментальным оценкам масс майорановских нейтрино четвертого поколения, включая эффекты правых нейтрино. Текущие границы LEP‑II существенно изменяются в результате глобального анализа. Мы показываем, что текущие ограничения на нейтрино четвертого поколения, распадающиеся до e W и μ W, могут быть уменьшены примерно до 80 ГэВ (по сравнению с текущими границами в 90 ГэВ), в то время как нейтрино, распадающиеся до τ W , могут быть такими же легкими, как 62,1 ГэВ. Ослабленная граница открывает канал распада нейтрино для бозона Хиггса промежуточной массы, а также интересные многочастичные конечные состояния для бозона Хиггса и распада лептонов четвертого поколения.
10. Диге, Амол; Гош, Диптимой; Годболе, Рохини М.; Прасат, Арун (2012). «Большое массовое расщепление фермионов четвертого поколения, допускаемое исключением бозона Хиггса на LHC». Физический обзор D . 85 (11): 114035. arXiv : 1204.3550 . Бибкод : 2012PhRvD..85k4035D. doi : 10.1103/PhysRevD.85.114035. S2CID  119204685.
11. Мотл, Любош (13 июля 2021 г.). «Тороидальный орбифолдный TOE «Чистая радость» E8 SUSY». Эталонный кадр . Проверено 23 августа 2021 г.