Naast donkere materie en donkere energie die de wetenschap niet kent, ondervindt het standaardmodel van deeltjesfysica ook moeilijkheden bij het verklaren waarom fermionen samen drie bijna identieke sets vormen.
Voor een theorie die nog steeds vrij grote componenten mist, is het standaardmodel van deeltjes en interacties behoorlijk succesvol geweest. Het houdt rekening met alles wat we dagelijks tegenkomen: protonen, neutronen, elektronen en fotonen, maar ook exoten zoals het Higgs-deeltje en echte quarks. De theorie is echter onvolledig, omdat ze verschijnselen als donkere materie en donkere energie niet kan verklaren.
Het succes van het standaardmodel is te danken aan het feit dat het een nuttige gids biedt voor de deeltjes materie die we kennen. Generaties kunnen een van deze belangrijke patronen worden genoemd. Het lijkt erop dat elk materiedeeltje drie verschillende versies kan hebben, die alleen in massa verschillen.
Wetenschappers vragen zich af of dit patroon een meer gedetailleerde verklaring heeft, of dat het gemakkelijker is te geloven dat een verborgen waarheid het zal vervangen.
Het standaardmodel is een menu met alle bekende fundamentele deeltjes die niet langer in hun samenstellende delen kunnen worden opgesplitst. Het is verdeeld in fermionen (materiedeeltjes) en bosonen (deeltjes die interacties dragen).
Standaardmodel van elementaire deeltjes en interacties / ALEPH-samenwerking.
De materiedeeltjes omvatten zes quarks en zes leptonen. De quarks zijn als volgt: boven, onder, gecharmeerd, vreemd, waar en schattig. Ze bestaan meestal niet afzonderlijk, maar groeperen zich om zwaardere deeltjes te vormen, zoals protonen en neutronen. Leptonen omvatten elektronen en hun neven, muonen en tau, evenals drie soorten neutrino's (elektronenneutrino, muonische neutrino en tau-neutrino).
Alle bovenstaande deeltjes zijn verdeeld in drie "generaties" die elkaar letterlijk kopiëren. De top, charmed en true quarks hebben dezelfde elektrische lading, evenals dezelfde zwakke en sterke interacties: ze verschillen voornamelijk in de massa die het Higgs-veld hen geeft. Hetzelfde geldt voor de dons, vreemde en mooie quarks, evenals voor het elektron, muon en tau.
Promotie video:
Zoals hierboven vermeld, kunnen dergelijke verschillen iets betekenen, maar natuurkundigen weten nog niet wat. De meeste generaties verschillen enorm in gewicht. Een tau lepton is bijvoorbeeld ongeveer 3600 keer zo zwaar als een elektron, en een echte quark is bijna 100.000 keer zwaarder dan een up-quark. Dit verschil uit zich in stabiliteit: de zwaardere generaties vallen uiteen in lichtere tot ze de mildste staten bereiken, die voor altijd stabiel blijven (voor zover bekend).
Generaties spelen een belangrijke rol bij experimenten. Het Higgs-deeltje is bijvoorbeeld een onstabiel deeltje dat vervalt in vele andere deeltjes, waaronder tau-leptonen. Het blijkt dat, vanwege het feit dat tau de zwaarste deeltjes is, het Higgs-deeltje "liever" vaker in tau verandert dan in muonen en elektronen. Zoals deeltjesversnellers opmerken, is de beste manier om de interacties van het Higgs-veld met leptonen te bestuderen, door het verval van het Higgs-deeltje in twee tau te observeren.
Verval van het Higgs-deeltje tot mooie quarks / ATLAS Collaboration / CERN.
Dit soort observatie vormt de kern van de fysica van het standaardmodel: laat twee of meer deeltjes tegen elkaar botsen en kijk welke deeltjes verschijnen, zoek dan in de residuen naar patronen - en als je geluk hebt, zie je iets dat niet bij je plaatje past.
En hoewel zaken als donkere materie en donkere energie duidelijk niet in moderne modellen passen, zijn er enkele problemen met het standaardmodel zelf. Volgens hem zouden neutrino's bijvoorbeeld massaloos moeten zijn, maar experimenten hebben aangetoond dat neutrino's nog steeds massa hebben, ook al is deze ongelooflijk klein. En, in tegenstelling tot quarks en elektrisch geladen leptonen, is het verschil in massa tussen generaties neutrino's onbeduidend, wat hun fluctuaties van het ene type naar het andere verklaart.
Omdat ze geen massa hebben, zijn neutrino's niet van elkaar te onderscheiden, met massa - ze zijn verschillend. Het verschil tussen hun generaties brengt zowel theoretici als experimentatoren in verwarring. Zoals Richard Ruiz van de Universiteit van Pittsburgh opmerkte: "Er is een patroon dat ons aanstaart, maar we kunnen niet precies achterhalen hoe het moet worden begrepen."
Zelfs als er maar één Higgs-deeltje is - die in het standaardmodel - valt er veel te leren door de interacties en het verval ervan te observeren. Als u bijvoorbeeld onderzoekt hoe vaak het Higgs-deeltje wordt omgezet in tau in vergelijking met andere deeltjes, kunt u de geldigheid van het standaardmodel controleren en aanwijzingen krijgen over het bestaan van andere generaties.
Er zijn natuurlijk nauwelijks meer generaties, aangezien de vierde generatie quark veel zwaarder zou moeten zijn dan zelfs een echte quark. Maar de anomalieën in het uiteenvallen van Higgs vertellen veel.
Nogmaals, tegenwoordig begrijpt geen van de wetenschappers waarom er precies drie generaties materiedeeltjes zijn. Desalniettemin is de structuur van het standaardmodel zelf een aanwijzing voor wat erbuiten kan liggen, inclusief wat bekend staat als supersymmetrie. Als fermionen supersymmetrische partners hebben, moeten ze ook drie generaties lang zijn. Hoe hun massa wordt verdeeld, kan helpen bij het begrijpen van de massaverdeling van fermionen in het standaardmodel, en ook waarom ze in deze specifieke patronen passen.
Supersymmetrie veronderstelt het bestaan van een zwaardere "superpartner" / CERN / IES de SAR voor elk deeltje van het standaardmodel.
Ongeacht hoeveel generaties deeltjes er in het universum zijn, het feit van hun aanwezigheid blijft een mysterie. Enerzijds zijn "generaties" niets meer dan een overzichtelijke organisatie van materiedeeltjes in het Standaardmodel. Het is echter heel goed mogelijk dat deze organisatie zou kunnen overleven in een diepere theorie (bijvoorbeeld een theorie waarin quarks zijn samengesteld uit nog kleinere hypothetische deeltjes - preons), wat kan verklaren waarom quarks en leptonen deze patronen lijken te vormen.
Het Standaardmodel is immers nog geen definitieve natuurbeschrijving, maar heeft zijn werk tot dusver goed gedaan. Hoe meer de wetenschappelijke gemeenschap dichter bij de randen van de kaart komt die door deze theorie is getekend, des te dichter komen wetenschappers bij een ware en nauwkeurige beschrijving van alle deeltjes en hun interacties.
Vladimir Guillen
