Oltre alla materia oscura e all'energia oscura sconosciute alla scienza, il Modello Standard di Fisica delle Particelle incontra anche difficoltà nello spiegare perché i fermioni sommano fino a tre insiemi quasi identici.
Per una teoria che manca ancora di componenti abbastanza grandi, il modello standard di particelle e interazioni ha avuto un discreto successo. Prende in considerazione tutto ciò che incontriamo quotidianamente: protoni, neutroni, elettroni e fotoni, nonché esotici come il bosone di Higgs ei veri quark. Tuttavia, la teoria è incompleta, in quanto non può spiegare fenomeni come la materia oscura e l'energia oscura.
Il successo del Modello Standard è dovuto al fatto che fornisce un'utile guida alle particelle di materia che conosciamo. Le generazioni possono essere chiamate uno di questi modelli importanti. Sembra che ogni particella di materia possa essere di tre diverse versioni, che differiscono solo in massa.
Gli scienziati si chiedono se questo schema abbia una spiegazione più dettagliata o se sia più facile credere che qualche verità nascosta lo sostituirà.
Il Modello Standard è un menu contenente tutte le particelle fondamentali conosciute che non possono più essere scomposte nelle loro parti componenti. È diviso in fermioni (particelle di materia) e bosoni (particelle che trasportano interazioni).
Modello standard di particelle elementari e interazioni / collaborazione ALEPH.
Le particelle di materia includono sei quark e sei leptoni. I quark sono i seguenti: superiore, inferiore, incantato, strano, vero e adorabile. Di solito non esistono separatamente, ma si raggruppano per formare particelle più pesanti come protoni e neutroni. I leptoni includono gli elettroni e i loro cugini, muoni e tau, oltre a tre tipi di neutrini (neutrino elettronico, neutrino muonico e neutrino tau).
Tutte le particelle di cui sopra sono divise in tre "generazioni" che si copiano letteralmente a vicenda. I quark top, charmed e true hanno la stessa carica elettrica, così come le stesse interazioni deboli e forti: differiscono principalmente per le masse che il campo di Higgs dà loro. Lo stesso vale per i quark down, strani e graziosi, così come per l'elettrone, il muone e il tau.
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Come accennato in precedenza, tali differenze possono significare qualcosa, ma i fisici non hanno ancora capito cosa. La maggior parte delle generazioni varia notevolmente in peso. Ad esempio, un leptone tau è circa 3.600 volte più massiccio di un elettrone e un vero quark è quasi 100.000 volte più pesante di un quark up. Questa differenza si manifesta nella stabilità: le generazioni più pesanti si scompongono in quelle più leggere fino a raggiungere gli stati più miti, che rimangono stabili per sempre (per quanto si sa).
Le generazioni giocano un ruolo importante nella sperimentazione. Ad esempio, il bosone di Higgs è una particella instabile che decade in molte altre particelle, inclusi i leptoni tau. Si scopre che a causa del fatto che la tau è la più pesante delle particelle, il bosone di Higgs "preferisce" trasformarsi in tau più spesso che in muoni ed elettroni. Come notano gli acceleratori di particelle, il modo migliore per studiare le interazioni del campo di Higgs con i leptoni è osservare il decadimento del bosone di Higgs in due tau.
Decadimento del bosone di Higgs in graziosi quark / ATLAS Collaboration / CERN.
Questo tipo di osservazione è al centro della fisica del Modello Standard: sbatti due o più particelle l'una contro l'altra e vedi quali particelle compaiono, quindi cerca i modelli nei residui e, se sei fortunato, vedrai qualcosa che non si adatta alla tua immagine.
E mentre cose come la materia oscura e l'energia oscura chiaramente non si adattano ai modelli moderni, ci sono alcuni problemi con il Modello Standard stesso. Ad esempio, secondo esso, i neutrini dovrebbero essere privi di massa, ma gli esperimenti hanno dimostrato che i neutrini hanno ancora massa, anche se è incredibilmente piccola. E, a differenza dei quark e dei leptoni caricati elettricamente, la differenza di massa tra le generazioni di neutrini è insignificante, il che spiega le loro fluttuazioni da un tipo all'altro.
Non avendo massa, i neutrini sono indistinguibili l'uno dall'altro, con massa - sono diversi. La differenza tra le loro generazioni lascia perplessi sia i teorici che gli sperimentatori. Come ha osservato Richard Ruiz dell'Università di Pittsburgh, "C'è uno schema che ci sta fissando, ma non possiamo capire esattamente come dovrebbe essere inteso".
Anche se c'è un solo bosone di Higgs, quello del Modello Standard, c'è molto da imparare osservando le sue interazioni e il suo decadimento. Ad esempio, esaminare la frequenza con cui il bosone di Higgs si trasforma in tau rispetto ad altre particelle può testare la validità del modello standard, nonché ottenere indizi sull'esistenza di altre generazioni.
Naturalmente, non ci sono quasi più generazioni, poiché il quark di quarta generazione dovrebbe essere molto più pesante anche di un vero quark. Ma le anomalie nella rottura di Higgs dicono molto.
Ancora una volta, oggi nessuno degli scienziati capisce perché ci sono esattamente tre generazioni di particelle di materia. Tuttavia, la struttura del Modello Standard è di per sé un indizio di ciò che potrebbe esserci al di fuori di esso, inclusa la cosiddetta supersimmetria. Se i fermioni hanno partner supersimmetrici, devono anche essere lunghi tre generazioni. Il modo in cui le loro masse sono distribuite può aiutare a comprendere la distribuzione di massa dei fermioni nel Modello Standard, nonché il motivo per cui si adattano a questi particolari schemi.
La supersimmetria presuppone l'esistenza di un "superpartner" / CERN / IES de SAR più pesante per ciascuna particella del Modello Standard.
Indipendentemente da quante generazioni di particelle ci sono nell'Universo, il fatto stesso della loro presenza rimane un mistero. Da un lato, le "generazioni" non sono altro che una comoda organizzazione delle particelle di materia nel Modello Standard. Tuttavia, è del tutto possibile che questa organizzazione possa sopravvivere in una teoria più profonda (ad esempio, una teoria in cui i quark sono composti da particelle ipotetiche ancora più piccole - i preoni), che può spiegare perché i quark ei leptoni sembrano formare questi modelli.
Dopo tutto, anche se il Modello Standard non è ancora una descrizione definitiva della natura, finora ha svolto il suo lavoro abbastanza bene. Più la comunità scientifica si avvicina ai bordi della mappa disegnata da questa teoria, più gli scienziati si avvicinano a una descrizione vera e accurata di tutte le particelle e delle loro interazioni.
Vladimir Guillen
