Почему частицы материи образуют «тройки»? [часть 1] (1 фото + 1 гиф)
Как ни странно, законы природы представляются в трех экземплярах, с тремя копиями всех частиц материи, каждая из которых тяжелее последней, но в остальном идентична.
Вселенная изготовила разные виды причудливых и красивых форм материальных объектов, от пылающих звезд до мурлыкающих кошек, из всего лишь трех основных ингредиентов. Электроны и два типа кварков, названные «верхний» и «нижний», смешивающихся различными способами, чтобы произвести каждый существующий атом.
Но, как ни странно, это семейство частиц материи - верхнего кварка, нижнего кварка и электрона - не единственное. Физики обнаружили, что они составляют первое из трех последовательных «поколений» частиц, каждое из которых тяжелее предыдущего. Частицы второго и третьего поколения слишком быстро превращаются в своих более легких собратьев, чтобы сформировать экзотических кошек, но в остальном они ведут себя идентично. Как будто законы природы составлены «тройными». «Мы не знаем почему», - говорит Хизер Логан (Heather Logan), физик элементарных частиц в Университете Карлтона (Carleton University).
В 1970-х годах, когда физики впервые разработали Стандартную модель физики элементарных частиц - все еще действующий набор уравнений, описывающих известные элементарные частицы и их взаимодействия, - они искали какой-то глубокий принцип, который объяснил бы, почему существуют три поколения частиц материи каждого типа. Никто не взломал этот код, и вопрос был на долгие годы отложен. Однако теперь нобелевский лауреат по физике Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), один из архитекторов Стандартной модели, возродил старую загадку. Вайнберг, которому уже 86 лет, и он по прежнему профессор Техасского университета в Остине (University of Texas, Austin), в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review D, заявил, что интригующая закономерность в массах частиц может продвинуть нас вперед в понимании этой тайны.
«Работа Вайнберга - это проблеск во тьме», - сказал Энтони Зи (Anthony Zee), физик-теоретик из Калифорнийского университета (University of California) в Санта-Барбаре. «Титан в этой области неожиданно снова работает над этими проблемами».
Стандартная модель не предсказывает, почему каждая частица имеет массу, которую она имеет. Физики измеряют эти значения экспериментально и вручную включают результаты в уравнения. Измерения показывают, что крошечный электрон весит 0,5 мегаэлектрон вольт (МэВ), в то время как его аналоги второго и третьего поколений, называемые мюон и тау-частица, наклоняют чашу весов при 105 и 1776 МэВ соответственно. Аналогично, верхние и нижние кварки первого поколения имеют относительными легкие веса, в то время как «очарованные» и «странные» кварки, составляющие второе поколение кварков, являются средними весами, а «верхний» и «нижний» кварки третьего поколения являются тяжелыми, максимально весящие чудовищные 173 210 МэВ.
Распределение в массах огромно. Когда физики присматриваются внимательнее, они видят обманчивую структуру, в которой величина массы падает. Частицы группируются в несколько равномерно распределенных поколения: все частицы третьего поколения весят тысячи МэВ, частицы второго поколения весят примерно сотни МэВ, а частицы первого поколения приходят с энергией около едениц МэВ каждая. «По мере того, как вы опускаетесь на следующий уровень вниз, они становятся экспоненциально легче», - говорит Патрик Фокс (Patrick Fox), физик элементарных частиц в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermi National Accelerator Laboratory) в Иллинойсе.
В уравнениях Стандартной Модели масса каждой частицы соответствует степени, в которой она «чувствует» заполненное вселенной поле, известное как поле Хиггса. Верхние кварки тяжелые, потому что они испытывают сильное сопротивление при движении через поле Хиггса, как муха, застрявшая в меде, в то время как тонкие электроны проносятся сквозь него, как бабочки в воздухе. В этой структуре то, как каждая частица чувствует поле, является внутренним атрибутом частицы.
(Продолжение здесь: Почему частицы материи образуют «тройки»? [часть 2])