16 октомври 2018
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

Защо има три почти идентични копия на всяка частица материя?

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 13 септември 2015 в 08:3396790
Artwork by Sandbox Studio, Chicago

Стандартният модел на елементарните частици е забележително успешен, с изключително точни прогнози, но има немалко проблеми - например - тази теория не обяснява явления като тъмната материя и тъмната енергия.

Макар и полезен наръчник за частиците на материята, той показва нещо странно - изглежда всяка частица материя  идва в три различни версии - поколения - които се различават само по маса.

Учените се колебаят дали този модел има по-дълбоко обяснение или ако засега е само удобен, дали не може да бъде заменен с по-дълбоки прозрения.

Матю Франсис (Matthew R. Francis) от изданието "Simmerty. Dimensions of particle physics" (Симетрия. Измерения на физиката на елементарните частици) разказва за тази мистерия на Стандартния модел.

Поколенията

Стандартният модел включва всички известни елементарни частици - частици, които не могат да бъдат делени на съставни части. Чaстиците са или фермиони  - частици материя, или бозони - частици, които пренасят взаимодействията.

Частиците материя включват 6 кварки и 6 лептони. Шестте кварките се наричат ​​горен кварк, долен кварк, чаровен кварк, странен кварк, върховен кварк, дънен кварк. Кварките обикновено не съществуват като единични, самостоятелни частици, а образуват по-тежки частици като протони и неутрони. Лептоните включват електроните и техните братовчеди - мюони и тау частици и трите вида неутрино.

Фермиони:

  • Кварки - горен кварк, долен кварк, чаровен кварк, странен кварк, върховен кварк, дънен кварк
  • Лептони - електронно неутрино, електрон, мюонно неутрино, мюон, тау-неутрино, тау-лептон

Бозони:

  • Калибровъчни бозони - глуон, W и Z бозони, фотон
  • Други бозони - бозон на Хигс, гравитон (извън Стандартния модел)
атоми ядра електрони кваркиИлюстрация:wikipedia

Всички тези частици се проявяват в три "поколения".

"Трите поколения са буквално copy/paste на първото поколение", казва физикът Хедър Логан (Heather Logan) от Университета Карлтън (Carleton University). Горният, чаровният и върховният кварки имат един и същи електрически заряд, по един и същи участват в силните и слабите взаимодействия - те се различават най-вече по маса, която идва от полето на Хигс. Същото се отнася и за долния, странния и долния кварки, а и за групата на лептоните - електрон, мюон и тау".

"Фактът, че трите поколения по различен начин се свързват с полето и частиците на Хигс може би ни казва нещо, но ние не знаем още какво е то", - споделя Логан.

Повечето от поколенията се различават по маса и то с много. Например, тау лептонът е около 3600 пъти по-масивен от електрона, а върховият кварк е почти 100 000 пъти по-тежък от горния кварк. Тази разлика се проявява и в стабилността: По-тежките поколения се разпадат по-лесно от по-леките поколения, а най-леките са (доколкото можем да кажем) стабилни завинаги.

Поколенията играят голяма роля в експериментите. Бозонът на Хигс, например, е нестабилна частица, която се разпада на няколко различни частици, включително и тау лептони. "Тъй като тау лептонът е най-тежкият, Хигс [бозонът] предпочита да се промени в тау повече от колкото в електрони или мюони", коментира Клара Нелист (Clara Nellist), експериментален физик в Laboratoire де l'Accélérateur Linéaire в Orsay, Франция, която работи в експеримента ATLAS в ЦЕРН. "Най-добрият начин да се изследва как Хигс взаимодейства с лептоните е като се наблюдава как един Хигс бозон се променя в два тау лептона".

Пътища за обяснения

Ако оставим настрана тъмната материя, Стандартният модел има и други проблеми.

Например, неутриното трябва да е безмасово според Стандартния модел, но реалните експерименти показват, че има много малка маса. И за разлика от кварките и електрически заредените лептони, различията между масите при поколенията неутрино са много малки, защото се наблюдава трансформация от един вид в друг.

"Ако нямаха маса, поколенията неутрино са абсолютно идентични; с маса - те са различни. И тази разлика в поколенията е озадачаваща" - коментира теоретикът Ричард Руиз (Richard Ruiz) от Университета в Питсбърг. "Тук съществува някаква закономерност, но не можем напълно да вникнем какъв смисъл има в нея".

атоми ядра електрони кваркиИлюстрация: ipod.org.uk

Интересно е, че обикновената материя във Вселената се състои почти изцяло от тези най-леки частици:

  • лептони (електрони и електронни неутрино);
  • кварки (u и d).

Ако всички останали лептони и кварки изведнъж изчезнат, почти нищо няма да се промени. 

Възниква въпросът: Защо са нужни на природата всички тези частици от второ и трето поколение, освен като "дубльори" на по-леките си събратя. Всички те са нестабилни и лесно се разпадат на частици от първо поколение.

Стандартният модел не дава задоволително обяснение за смисъла на тази аномалия на масите. 

Можем да научим много от това как си взаимодейства и се разпада Хигс бозонът на Стандартния модел. Например "чрез изучаване колко често бозоните се превръща в тау в сравнение с други частици, можем да проверим валидността на Стандартния модел и да видим дали има намеци за други поколения" - разказва Клара Нелист.

Това е малко вероятно, тъй като едно четвърто поколение кварк ще трябва да бъде много по-масивно дори от върховния кварк. Всяка аномалия в разпада на Хигс може да ни каже много.

"Никой не знае защо има три поколения", казва Логан. Все пак, структурата на Стандартния модел дава представа за това, какво може да има извън него, например теорията, известна като Суперсиметрия: "Ако има суперсиметрични партньори на фермионите, те също трябва да се проявяват в три поколения".

Без значение колко са, никой не знае защо въобще има поколения. "Поколенията са просто обикновена организация на материята в Стандартния модел", - казва Руиз. Тази организация може да оцелее в една по-дълбока теория (например, теория, в която кварките са съставени от по-малки частици, наречени "преони", което е малко вероятно на базата на получените досега данни), но някакви нови идеи ще трябва да обяснят защо кварките и лептоните се проявяват по такъв начин.

В крайна сметка, въпреки че Стандартния модел не е окончателното описание на Вселената, той е  добро ръководство засега. Тъй като ние търсим краищата на картата тя предоставя, ще получите по-близо до вярна и точна схема на всички частици и техните взаимодействия.


Препоръчани материали

Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.