Förutom mörk materia och mörk energi som är okänd för vetenskapen, står standarden för partikelfysik också inför svårigheter att förklara varför fermioner lägger till tre nästan identiska uppsättningar.
För en teori som fortfarande saknar ganska stora komponenter har standardmodellen för partiklar och interaktioner varit ganska framgångsrik. Den tar hänsyn till allt vi möter dagligen: protoner, neutroner, elektroner och fotoner, såväl som exotik som Higgs boson och sanna kvarkar. Teorin är emellertid ofullständig, eftersom den inte kan förklara fenomen som mörk materia och mörk energi.
Framgången för standardmodellen beror på att den ger en användbar guide till de partiklar som vi känner till. Generationer kan kallas ett av dessa viktiga mönster. Det ser ut som varje partikel av materia kan vara av tre olika versioner, som bara skiljer sig i massa.
Forskare undrar om detta mönster har en mer detaljerad förklaring, eller om det är lättare att tro att någon dold sanning kommer att ersätta den.
Standardmodellen är en meny som innehåller alla kända grundläggande partiklar som inte längre kan delas upp i deras komponentdelar. Det är uppdelat i fermioner (partiklar av materia) och bosoner (partiklar som har interaktioner).
Standardmodell för elementära partiklar och interaktioner / ALEPH-samarbete.
Materialpartiklarna inkluderar sex kvarkar och sex leptoner. Kvarkarna är som följer: topp, botten, charmad, konstig, sann och bedårande. De existerar vanligtvis inte separat, men grupperar sig för att bilda tyngre partiklar som protoner och neutroner. Leptoner inkluderar elektroner och deras kusiner, muoner och tau, samt tre typer av neutrino (elektronneutrino, muonic neutrino och tau neutrino).
Alla ovanstående partiklar är indelade i tre "generationer" som bokstavligen kopierar varandra. De översta, charmade och sanna kvarkarna har samma elektriska laddning, liksom samma svaga och starka interaktioner: de skiljer sig främst i massorna som Higgs-fältet ger dem. Detsamma gäller för de nedåt, konstiga och vackra kvarkarna, liksom elektron, muon och tau.
Kampanjvideo:
Som nämnts ovan kan sådana skillnader betyda något, men fysiker har ännu inte kommit fram till vad. De flesta generationer varierar mycket i vikt. Till exempel är en tau-lepton ungefär 3600 gånger massivare än en elektron, och en sann kvark är nästan 100 000 gånger tyngre än en upp-kvark. Denna skillnad manifesterar sig i stabilitet: de tyngre generationerna bryts upp i lättare tills de når de mildaste tillstånden, som förblir stabila för alltid (så vitt man känner).
Generationer spelar en viktig roll i experimenten. Till exempel är Higgs-bosonen en instabil partikel som sönderfaller till många andra partiklar, inklusive tau-leptoner. Det visar sig att på grund av det faktum att tau är den tyngsta av partiklarna, föredrar Higgs boson att bli mer ofta än till muoner och elektroner. Som partikelacceleratorer noterar är det bästa sättet att studera interaktioner mellan Higgs-fältet och leptoner genom att observera förfallet av Higgs-boson i två tau.
Förfall av Higgs-bosonen till vackra kvarkar / ATLAS-samarbete / CERN.
Den här typen av observationer är kärnan i fysiken i standardmodellen: stöta två eller flera partiklar mot varandra och se vilka partiklar som dyker upp, leta sedan i resterna efter mönster - och om du har tur ser du något som inte passar din bild.
Och medan saker som mörk materia och mörk energi helt klart inte passar in i moderna modeller, finns det några problem med själva Standardmodellen. Till exempel, enligt det, neutrino bör vara masslös, men experiment har visat att neutrino fortfarande har massa, även om det är oerhört litet. Och till skillnad från kvarkar och elektriskt laddade leptoner är skillnaden i massor mellan generationer av neutrino obetydlig, vilket förklarar deras fluktuationer från en typ till en annan.
Med ingen massa kan neutrinoer inte skiljas från varandra, med massa - de är olika. Skillnaden mellan deras generationer pusslar både teoretiker och experter. Som Richard Ruiz från University of Pittsburgh noterade: "Det finns ett mönster som stirrar på oss, men vi kan inte ta reda på exakt hur det ska förstås."
Även om det bara finns en Higgs boson - den i standardmodellen - finns det mycket att lära sig genom att observera dess interaktioner och förfall. Exempelvis kan man undersöka hur ofta Higgs-boson förvandlas till tau jämfört med andra partiklar och kan testa standardmodellens giltighet samt få ledtrådar om andra generationer.
Naturligtvis finns det knappast fler generationer, eftersom fjärde generationens kvark borde vara mycket tyngre än till och med en sann kvark. Men avvikelserna i Higgs-uppdelningen berättar mycket.
Återigen förstår ingen av forskarna varför det finns exakt tre generationer av materialpartiklar. Standardmodellens struktur är dock en ledtråd till vad som kan ligga utanför den, inklusive vad som kallas supersymmetri. Om fermioner har supersymmetriska partners måste de också vara tre generationer långa. Hur deras massor fördelas kan hjälpa till att förstå massfördelningen av fermioner i standardmodellen, liksom varför de passar in i dessa specifika mönster.
Supersymmetry antar att det finns en tyngre "superpartner" / CERN / IES de SAR för varje partikel i standardmodellen.
Oavsett hur många generationer av partiklar det finns i universum, förblir faktiskt deras närvaro ett mysterium. Å ena sidan är "generationer" inget annat än en bekväm organisation av materialpartiklar i standardmodellen. Det är dock helt möjligt att denna organisation skulle kunna överleva i en djupare teori (till exempel en teori där kvarkar består av ännu mindre hypotetiska partiklar - preons), vilket kan förklara varför kvarkar och leptoner verkar bilda dessa mönster.
Trots allt, trots att standardmodellen ännu inte är en definitiv beskrivning av naturen, har den gjort sitt jobb ganska bra hittills. Ju mer den vetenskapliga gemenskapen kommer närmare kanterna på kartan som ritats av denna teori, desto närmare forskare kommer en riktig och korrekt beskrivning av alla partiklar och deras interaktioner.
Vladimir Guillen