Введение
Разделение элементарных частиц
В физике частиц поколение или семейство — это классификация элементарных частиц. Между поколениями частицы различаются своим вкусовым квантовым числом и массой, но их электрические и сильные взаимодействия идентичны. Согласно Стандартной модели физики частиц существует три поколения. Каждое поколение содержит два типа лептонов и два типа кварков. Два лептона можно классифицировать как один с электрическим зарядом −1 (электронный тип) и нейтральный (нейтрино); два кварка можно классифицировать как один с зарядом −1/3 (тип «вниз») и один с зарядом +2/3 (тип «вверх»). Основные характеристики генерации кварк-лептонов или семейств, такие как их массы и смешивания, могут быть описаны некоторыми из предложенных семейных симметрий.
Обзор
Каждый член более высокого поколения имеет большую массу, чем соответствующая частица предыдущего поколения, за исключением нейтрино (чьи малые, но ненулевые массы не были точно определены). Например, электрон первого поколения имеет массу всего 0,511, мюон второго поколения – 106, а тау третьего поколения – 1777 (почти вдвое тяжелее протона). Эта иерархия масс приводит к тому, что частицы более высоких поколений распадаются в частицы первого поколения, что объясняет, почему обычная материя (атомы) состоит только из частиц первого поколения. Электроны окружают ядро, состоящее из протонов и нейтронов, которые содержат верхние и нижние кварки. Частицы второго и третьего поколений с электрическим зарядом не встречаются в обычной материи и наблюдаются только в средах с чрезвычайно высокой энергией, таких как космические лучи или ускорители частиц. Термин "поколение" впервые был введен Хаимом Харари в Летней школе в Ле-Уш, 1976 году. Нейтрино всех поколений свободно распространяются по Вселенной, но редко взаимодействуют с другими частицами материи. Есть надежда, что всестороннее понимание взаимосвязи между поколениями лептонов в конечном итоге позволит объяснить соотношение масс фундаментальных частиц и пролить свет на природу массы в целом с точки зрения квантовой механики.
causes particles of higher generations to decay to the first generation, which explains why everyday matter (atoms) is made of particles from the first generation only. Electrons surround a nucleus made of protons and neutrons, which contain up and down quarks. The second and third generations of charged particles do not occur in normal matter and are only seen in extremely high energy environments such as cosmic rays or particle accelerators. The term generation was first introduced by Haim Harari in Les Houches Summer School, 1976. Neutrinos of all generations stream throughout the universe but rarely interact with other matter. It is hoped that a comprehensive understanding of the relationship between the generations of the leptons may eventually explain the ratio of masses of the fundamental particles, and shed further light on the nature of mass generally, from a quantum perspective.
Четвертое поколение
Четвертое и последующие поколения считаются маловероятными многими (но не всеми) физиками-теоретиками. Некоторые аргументы против возможности четвертого поколения основаны на незначительных изменениях точно измеряемых электрослабых величин, которые дополнительные поколения вызвали бы; такие изменения сильно противоречат результатам измерений. Кроме того, существование четвертого поколения с "легким" нейтрино (с массой менее примерно 45 ГэВ) исключено измерениями ширины распада Z-бозона на Большом электронно-позитронном коллайдере (LEP) в ЦЕРН. Тем не менее, поиски частиц четвертого поколения на высокоэнергетических коллайдерах продолжаются, но пока никаких свидетельств их существования не обнаружено. В таких поисках частицы четвертого поколения обозначаются теми же символами, что и частицы третьего поколения, с добавлением штриха (например, b′ и t′). В настоящее время нижний предел массы кварков четвертого поколения (b′, t′) составляет 1,4 ТэВ, согласно данным экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК). Нижний предел массы нейтрино четвертого поколения в настоящее время составляет около 60 ГэВ (в миллионы раз больше верхней границы для масс остальных трех нейтрино). Нижний предел массы заряженного лептона четвертого поколения в настоящее время составляет 100 ГэВ, а предлагаемый верхний предел – 1,2 ТэВ, исходя из соображений унитарности. Если формула Койде останется справедливой, то массы заряженного лептона четвертого поколения будут равны 44 ГэВ (что исключено), а массы b′ и t′ должны составить 3,6 ТэВ и 84 ТэВ соответственно. (Максимальная возможная энергия протонов в БАК составляет около 6 ТэВ.)
Происхождение
Происхождение нескольких поколений фермионов и их конкретного числа – 3 – остаётся нерешённой проблемой физики. Теория струн предоставляет объяснение существования нескольких поколений, однако конкретное число зависит от деталей компактификации пересечений D-бран. Кроме того, E-объединённые теории в 10 измерениях, скомпактифицированные на определённых орбифолдах до 4-мерного пространства, естественным образом содержат 3 поколения материи. Это относится ко многим гетеротическим моделям теории струн. В стандартной квантовой теории поля, при определённых предположениях, одно фермионное поле может порождать несколько фермионных полюсов с отношениями масс, близкими к eπ≈23 и e2π≈535, что потенциально объясняет большие соотношения масс фермионов между последовательными поколениями и их происхождение.