Neben dunkler Materie und dunkler Energie, die der Wissenschaft unbekannt sind, hat das Standardmodell der Teilchenphysik auch Schwierigkeiten zu erklären, warum Fermionen drei nahezu identische Mengen ergeben.
Für eine Theorie, der noch relativ große Komponenten fehlen, war das Standardmodell für Partikel und Wechselwirkungen recht erfolgreich. Es berücksichtigt alles, was uns täglich begegnet: Protonen, Neutronen, Elektronen und Photonen sowie Exoten wie das Higgs-Boson und echte Quarks. Die Theorie ist jedoch unvollständig, da sie Phänomene wie dunkle Materie und dunkle Energie nicht erklären kann.
Der Erfolg des Standardmodells beruht auf der Tatsache, dass es einen nützlichen Leitfaden für die uns bekannten Materieteilchen bietet. Generationen können als eines dieser wichtigen Muster bezeichnet werden. Es sieht so aus, als ob jedes Materieteilchen drei verschiedene Versionen haben kann, die sich nur in der Masse unterscheiden.
Wissenschaftler fragen sich, ob dieses Muster eine detailliertere Erklärung hat oder ob es leichter zu glauben ist, dass eine Art innere Wahrheit es ersetzen wird.
Das Standardmodell ist ein Menü, das alle bekannten Grundpartikel enthält, die nicht mehr in ihre Bestandteile zerlegt werden können. Es ist unterteilt in Fermionen (Partikel der Materie) und Bosonen (Partikel, die Wechselwirkungen tragen).
Standardmodell für Elementarteilchen und Wechselwirkungen / ALEPH-Zusammenarbeit.
Die Materieteilchen umfassen sechs Quarks und sechs Leptonen. Die Quarks sind wie folgt: oben, unten, bezaubert, seltsam, wahr und bezaubernd. Sie existieren normalerweise nicht getrennt, sondern gruppieren sich zu schwereren Teilchen wie Protonen und Neutronen. Zu den Leptonen gehören Elektronen und ihre Cousins, Myonen und Tau sowie drei Arten von Neutrinos (Elektronenneutrino, Myonenneutrino und Tau-Neutrino).
Alle oben genannten Partikel sind in drei "Generationen" unterteilt, die sich buchstäblich gegenseitig kopieren. Die oberen, bezauberten und wahren Quarks haben die gleiche elektrische Ladung sowie die gleichen schwachen und starken Wechselwirkungen: Sie unterscheiden sich hauptsächlich in den Massen, die das Higgs-Feld ihnen gibt. Gleiches gilt für die heruntergekommenen, seltsamen und hübschen Quarks sowie für Elektron, Myon und Tau.
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Wie oben erwähnt, können solche Unterschiede etwas bedeuten, aber die Physiker haben noch nicht herausgefunden, was. Die meisten Generationen variieren stark im Gewicht. Zum Beispiel ist ein Tau-Lepton etwa 3.600-mal so massereich wie ein Elektron, und ein echter Quark ist fast 100.000-mal schwerer als ein Up-Quark. Dieser Unterschied äußert sich in der Stabilität: Die schwereren Generationen zerfallen in leichtere, bis sie die mildesten Zustände erreichen, die (soweit bekannt) für immer stabil bleiben.
Generationen spielen beim Experimentieren eine wichtige Rolle. Zum Beispiel ist das Higgs-Boson ein instabiles Teilchen, das in viele andere Teilchen zerfällt, einschließlich Tau-Leptonen. Es stellt sich heraus, dass das Higgs-Boson aufgrund der Tatsache, dass Tau das schwerste Teilchen ist, es "bevorzugt", sich häufiger in Tau als in Myonen und Elektronen zu verwandeln. Wie Teilchenbeschleuniger bemerken, besteht die beste Möglichkeit, die Wechselwirkungen des Higgs-Feldes mit Leptonen zu untersuchen, darin, den Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Tau zu beobachten.
Zerfall des Higgs-Bosons in hübsche Quarks / ATLAS Collaboration / CERN.
Diese Art der Beobachtung ist das Herzstück der Physik des Standardmodells: Stoßen Sie zwei oder mehr Partikel gegeneinander und sehen Sie, welche Partikel erscheinen. Suchen Sie dann in den Residuen nach Mustern - und wenn Sie Glück haben, sehen Sie etwas, das nicht zu Ihrem Bild passt.
Und während Dinge wie dunkle Materie und dunkle Energie eindeutig nicht in moderne Modelle passen, gibt es einige Probleme mit dem Standardmodell selbst. Demnach sollten Neutrinos demnach masselos sein, aber Experimente haben gezeigt, dass Neutrinos immer noch Masse haben, selbst wenn sie unglaublich klein sind. Und im Gegensatz zu Quarks und elektrisch geladenen Leptonen ist der Massenunterschied zwischen den Generationen von Neutrinos unbedeutend, was ihre Schwankungen von einem Typ zum anderen erklärt.
Da Neutrinos keine Masse haben, sind sie nicht von Masse zu unterscheiden - sie sind unterschiedlich. Der Unterschied zwischen ihren Generationen verwirrt sowohl Theoretiker als auch Experimentatoren. Richard Ruiz von der University of Pittsburgh bemerkte: "Es gibt ein Muster, das uns anstarrt, aber wir können nicht genau herausfinden, wie es verstanden werden sollte."
Selbst wenn es nur ein Higgs-Boson gibt - das im Standardmodell - gibt es viel zu lernen, wenn man seine Wechselwirkungen und seinen Zerfall beobachtet. Wenn Sie beispielsweise untersuchen, wie oft sich das Higgs-Boson im Vergleich zu anderen Partikeln in Tau umwandelt, können Sie die Gültigkeit des Standardmodells testen und Hinweise auf die Existenz anderer Generationen erhalten.
Natürlich gibt es kaum mehr Generationen, da der Quark der vierten Generation viel schwerer sein sollte als selbst ein echter Quark. Aber die Anomalien in der Higgs-Trennung erzählen viel.
Auch heute versteht keiner der Wissenschaftler, warum es genau drei Generationen von Materieteilchen gibt. Dennoch ist die Struktur des Standardmodells selbst ein Hinweis darauf, was außerhalb des Modells liegen könnte, einschließlich der sogenannten Supersymmetrie. Wenn Fermionen supersymmetrische Partner haben, müssen sie auch drei Generationen lang sein. Wie ihre Massen verteilt sind, kann helfen, die Massenverteilung von Fermionen im Standardmodell zu verstehen und warum sie in diese speziellen Muster passen.
Supersymmetrie setzt die Existenz eines schwereren "Superpartners" / CERN / IES de SAR für jedes Partikel des Standardmodells voraus.
Unabhängig davon, wie viele Generationen von Teilchen es im Universum gibt, bleibt die Tatsache ihrer Anwesenheit ein Rätsel. Einerseits sind „Generationen“nichts anderes als eine bequeme Organisation von Materieteilchen im Standardmodell. Es ist jedoch durchaus möglich, dass diese Organisation in einer tieferen Theorie überlebt (zum Beispiel in einer Theorie, in der Quarks aus noch kleineren hypothetischen Teilchen - Preons - bestehen), die erklären kann, warum Quarks und Leptonen diese Muster zu bilden scheinen.
Obwohl das Standardmodell noch keine endgültige Beschreibung der Natur ist, hat es seine Arbeit bisher recht gut gemacht. Je näher die wissenschaftliche Gemeinschaft den von dieser Theorie gezeichneten Rändern der Karte kommt, desto näher kommen die Wissenschaftler einer wahren und genauen Beschreibung aller Teilchen und ihrer Wechselwirkungen.
Vladimir Guillen
