Ud over mørkt stof og mørk energi, der er ukendt for videnskaben, står standardmodellen for partikelfysik også over for vanskeligheder med at forklare, hvorfor fermioner tilføjer op til tre næsten identiske sæt.
For en teori, der stadig mangler forholdsvis store komponenter, har standardmodellen for partikler og interaktioner været ret vellykket. Den tager højde for alt, hvad vi møder på daglig basis: protoner, neutroner, elektroner og fotoner, såvel som eksotiske stoffer som Higgs boson og ægte kvarker. Teorien er imidlertid ufuldstændig, da den ikke kan forklare fænomener som mørk stof og mørk energi.
Succesen med standardmodellen skyldes, at den giver en nyttig guide til de partikler af stof, vi kender. Generationer kan kaldes et af disse vigtige mønstre. Det ser ud til, at hver partikel af stof kan være i tre forskellige versioner, som kun adskiller sig i masse.
Forskere spekulerer på, om dette mønster har en mere detaljeret forklaring, eller om det er lettere at tro, at en eller anden skjult sandhed vil erstatte den.
Standardmodellen er en menu, der indeholder alle kendte grundlæggende partikler, der ikke længere kan opdeles i deres komponentdele. Det er opdelt i fermioner (partikler af stof) og bosoner (partikler, der bærer interaktioner).
Standardmodel for elementære partikler og interaktioner / ALEPH-samarbejde.
Stofpartiklerne inkluderer seks kvarker og seks leptoner. Kvarkerne er som følger: top, bund, charmed, mærkelig, sand og sød. De findes normalt ikke separat, men grupperes sammen for at danne tungere partikler, såsom protoner og neutroner. Leptoner inkluderer elektroner og deres kusiner, muoner og tau samt tre typer neutrinoer (elektronneutrino, muonic neutrino og tau neutrino).
Alle ovennævnte partikler er opdelt i tre "generationer", der bogstaveligt talt kopierer hinanden. De øverste, charmerede og ægte kvarker har den samme elektriske ladning såvel som de samme svage og stærke interaktioner: De adskiller sig primært i de masser, som Higgs-feltet giver dem. Det samme gælder de dunne, mærkelige og smukke kvarker såvel som elektron, muon og tau.
Salgsfremmende video:
Som nævnt ovenfor kan sådanne forskelle betyde noget, men fysikere har endnu ikke fundet ud af hvad. De fleste generationer varierer meget i vægt. For eksempel er et tau-lepton ca. 3.600 gange mere massivt end et elektron, og en ægte kvark er næsten 100.000 gange tungere end en op-kvark. Denne forskel manifesterer sig i stabilitet: de tyngre generationer bryder op i lettere, indtil de når de mildeste stater, som forbliver stabile for evigt (så vidt vides).
Generationer spiller en vigtig rolle i eksperimenteringen. For eksempel er Higgs-bosonen en ustabil partikel, der nedbrydes til mange andre partikler, inklusive tau-leptoner. Det viser sig, at på grund af det faktum, at tau er den tyngste af partikler, foretrækker Higgs-bosonet at blive mere ofte end til muoner og elektroner. Som partikelacceleratorer bemærker, er den bedste måde at studere interaktioner mellem Higgs-feltet og leptoner ved at observere forfaldet af Higgs-boson i to tau.
Forfald af Higgs-bosonen til smukke kvarker / ATLAS-samarbejde / CERN.
Denne type observationer er kernen i fysikken i standardmodellen: støt to eller flere partikler mod hinanden og se hvilke partikler der vises, så kig i resterne efter mønstre - og hvis du er heldig, vil du se noget, der ikke passer til dit billede.
Og selvom ting som mørkt stof og mørk energi helt klart ikke passer ind i moderne modeller, er der nogle problemer med selve Standardmodellen. F.eks. Skal neutrinoer være masseløse, men eksperimenter har vist, at neutrinoer stadig har masse, selvom det er utroligt lille. Og i modsætning til kvarker og elektrisk ladede leptoner er forskellen i masser mellem generationer af neutrinoer ubetydelig, hvilket forklarer deres udsving fra en type til en anden.
Når der ikke er nogen masse, kan neutrino ikke skelnes fra hinanden med masse - de er forskellige. Forskellen mellem deres generationer puslespil både på teoretikere og eksperimenter. Som Richard Ruiz fra University of Pittsburgh bemærkede: "Der er et mønster, der stirrer på os, men vi kan ikke finde ud af, hvordan det skal forstås."
Selvom der kun er en Higgs-boson - den i standardmodellen - er der meget at lære ved at observere dets interaktioner og forfald. For eksempel at undersøge, hvor ofte Higgs boson konverteres til tau sammenlignet med andre partikler, kan du kontrollere gyldigheden af standardmodellen såvel som få ledetråde om eksistensen af andre generationer.
Der er selvfølgelig næppe flere generationer, da den fjerde generationskvark skal være meget tungere end endda en ægte kvark. Men afvigelserne i Higgs-sammenbruddet fortæller meget.
Igen, i dag forstår ingen af forskerne, hvorfor der er nøjagtigt tre generationer af stofpartikler. Ikke desto mindre er strukturen af standardmodellen i sig selv en anelse om, hvad der kan ligge uden for den, inklusive det, der kaldes supersymmetri. Hvis fermioner har supersymmetriske partnere, skal de også være tre generationer lange. Hvordan deres masser fordeles, kan hjælpe med at forstå massefordelingen af fermioner i standardmodellen, samt hvorfor de passer ind i disse bestemte mønstre.
Supersymmetry antager eksistensen af en tungere "superpartner" / CERN / IES de SAR for hver del af standardmodellen.
Uanset hvor mange generationer af partikler der er i universet, forbliver selve kendsgerningen om deres tilstedeværelse et mysterium. På den ene side er "generationer" intet andet end en bekvem organisering af stofpartikler i standardmodellen. Imidlertid er det fuldstændigt muligt, at denne organisation kunne overleve i en dybere teori (for eksempel en teori, hvor kvarker er sammensat af endnu mindre hypotetiske partikler - præoner), hvilket kan forklare, hvorfor kvarker og leptoner ser ud til at danne disse mønstre.
Når alt kommer til alt, selvom standardmodellen endnu ikke er en endelig beskrivelse af naturen, har den gjort sit arbejde ret godt indtil videre. Jo mere det videnskabelige samfund kommer nærmere kanterne på kortet, der er tegnet af denne teori, desto tættere kommer forskerne til en rigtig og nøjagtig beskrivelse af alle partikler og deres interaktion.
Vladimir Guillen