Pregunta:
¿Por qué pensamos que solo hay tres generaciones de partículas fundamentales?
Scott Carnahan
2010-12-19 04:17:35 UTC
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En el modelo estándar de física de partículas, hay tres generaciones de quarks (arriba / abajo, extraño / encanto y arriba / abajo), junto con tres generaciones de leptones (electrón, muón, y tau). Todas estas partículas se han observado experimentalmente y no parece que hayamos visto nada nuevo en este sentido. A priori, esto no elimina la posibilidad de una cuarta generación, pero los físicos con los que he hablado no creen que sean probables generaciones adicionales.

Pregunta: ¿Qué tipo de razones teóricas o experimentales tenemos para esta limitación?

Una de las razones que escuché de mi compañero de oficina es que no hemos visto nuevos neutrinos. Los neutrinos parecen ser lo suficientemente livianos como para que si el neutrino de otra generación sea demasiado pesado para ser detectado, entonces los quarks correspondientes serían lo suficientemente masivos como para que la nueva física pudiera interferir con su existencia. Esto sugiere la pregunta: ¿existe una regla general que relacione las masas de neutrinos con las masas de quarks, o un neutrino excepcionalmente pesado se vería extraño pero por lo demás estaría bien con nuestro estado actual de conocimiento?

Otra razón que he escuchado implica el acoplamiento de Yukawa entre los quarks y el campo de Higgs. Aparentemente, si las masas de los quarks van mucho más allá de la masa del quark superior, el acoplamiento se vuelve lo suficientemente fuerte como para que QCD no pueda describir con precisión la teoría resultante. Mi conjetura es que esto realmente significa que las expansiones perturbadoras en los diagramas de Feynman ni siquiera pretenden converger, pero que no necesariamente eliminan técnicas alternativas como QCD de celosía (de la que no sé nada).

Razones adicionales Sería muy apreciado, y cualquier palabra o referencia (cuanto más matemática, mejor) que ayude a iluminar los párrafos anteriores sería agradable.

Seis respuestas:
pho
2010-12-19 05:10:38 UTC
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Existen muy buenos límites experimentales en neutrinos ligeros que tienen los mismos acoplamientos electrodébiles que los neutrinos en las primeras 3 generaciones a partir del ancho medido del bosón $ Z $. Aquí luz significa $ m_ \ nu < m_Z / 2 $. Tenga en cuenta que esto no implica la detección directa de neutrinos, es una medida indirecta basada en el cálculo del ancho de $ Z $ dado el número de neutrinos ligeros. Aquí está la cita de PDG:

http://pdg.lbl.gov/2010/listings/rpp2010-list-number-neutrino-types.pdf

También existe un límite cosmológico en el número de generaciones de neutrinos provenientes de la producción de helio durante la nucleosíntesis del Big Bang. Esto se discute en "The Early Universe" por Kolb y Turner, aunque estoy seguro de que ahora hay más reseñas actualizadas. Este límite es de alrededor de 3 o 4.

No existe una relación directa entre las masas de quark y neutrinos, aunque puede derivar posibles relaciones incrustando el modelo estándar en varios GUTS, como los basados ​​en $ SO (10) $ o $ E_6 $. La explicación más sencilla en estos modelos de por qué los neutrinos son ligeros se llama mecanismo de balancín

http://en.wikipedia.org/wiki/Seesaw_mechanism

y conduce a masas de neutrinos $ m_ \ nu \ sim m_q ^ 2 / M $ donde $ M $ es una escala de masa grande del orden de $ 10 ^ {11} ~ GeV $ asociada con el valor de expectativa de vacío de algunos Higgs campo que juega un papel en romper la simetría GUT hasta $ SU (3) \ times SU (2) \ times U (1) $. Si el mismo mecanismo está en juego durante generaciones adicionales, uno esperaría que los neutrinos fueran más livianos que $ M_Z $ incluso si los quarks son bastante pesados. Además, como mencionaste, si intentas hacer que la cuarta generación o generaciones superiores sean muy pesadas, tienes que aumentar el acoplamiento de Yukawa hasta el punto que estás fuera del rango de la teoría de perturbación. Estas son explicaciones teóricas aproximadas y la historia completa es mucho más complicada, pero la combinación de los excelentes límites experimentales, los límites cosmológicos y las expectativas teóricas hace que la mayoría de la gente sea escéptica con respecto a las generaciones futuras. Lo siento, esto no fue más matemático.

Qrystal
2011-09-16 20:16:20 UTC
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Mi investigación involucra un modelo geométrico de partículas espín-1/2, aunque la discusión de las tres generaciones está más allá del alcance de mi tesis. Sin embargo, si puedo descubrir cómo mencionar esta especulación en la sección Trabajo futuro al final de mi tesis, probablemente lo haga.

No puedo evitar maravillarme por la coincidencia del número tres para las generaciones, así como para las dimensiones del espacio (donde el marco de referencia inercial fija la dimensión del tiempo relacionada con las dimensiones espaciales). Si el espín se tratara como una oscilación (no solo como un "momento angular intrínseco"), entonces las partículas de generaciones superiores podrían tener modos de oscilación más complicados: las partículas de segunda y tercera generación podrían tener modos de espín bidimensionales y tridimensionales, respectivamente . Si el espín estuviera relacionado de alguna manera con la masa (que parece decir el momento dipolar magnético), entonces las mayores masas de las partículas generacionales superiores podrían explicarse por estas oscilaciones de dimensiones superiores. De algun modo. :)

Solo estoy publicando esta idea porque no sospecho que tendré la oportunidad de investigarla yo mismo de una manera más exhaustiva. Pero quién sabe, tal vez lo haga, y tal vez tus comentarios sobre la idea me ayuden a perfeccionarla. O tal vez alguien más lo tomará y lo ejecutará, lo cual está bien para mí siempre que se me mencione en los créditos en alguna parte. ;)

Estoy votando a favor porque creo que esta es una idea con la que todos disfrutamos especular cuando éramos jóvenes, y buscamos cuaterniones y álgebras de Clifford y productos vectoriales alternativos ... Es valiente por su parte decirlo explícitamente.
Esta idea no es original: la idea de que el muón es una excitación de oscilación es tan antigua como el muón. No es el mejor modelo disponible en la actualidad, porque los quarks y leptones son fundamentales.
+1 para relacionar masa con modos de oscilación más altos en tres dimensiones.
Ron Maimon
2011-09-09 20:05:23 UTC
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Una parte de la respuesta a esta pregunta es que los neutrinos son partículas de Majorana (o Weyl, las dos son iguales en 4d), que solo pueden adquirir masa a partir de correcciones no renormalizables. Los neutrinos no tienen un compañero diestro en un rango de energía accesible. Si hay tal compañero, es muy, muy pesado. Entonces esto significa que tienen que ser exactamente sin masa si el modelo estándar es exactamente renormalizable.

Las interacciones que dan masa a los neutrinos son eventos de dispersión de dos Higgs y dos Leptones en el modelo estándar lagrangiano, donde el término es $ HHLL $ con los índices SU (2) de cada H contraído con una L. Este término da masas de neutrinos, pero es de dimensión 5, por lo que está suprimido por la escala de energía natural, que es 10 16 GeV , la escala GUT. Esto da las masas de neutrinos medidas. Este término también descarta una escala de Planck de baja energía.

Si tienes otra generación, el próximo neutrino tendría que ser liviano, solo por esta supresión. No hay forma de acoplar el Higgs al siguiente neutrino mucho más fuerte que los otros tres. Solo hay 3 neutrinos ligeros, como lo revela el ancho Z, BBN, como dijeron otros.

No está claro si los neutrinos son partículas de Majorana o partículas de Dirac. Es más elegante si son los primeros, pero es una cuestión abierta en física de partículas.
@Columbia: Los neutrinos son Majorana en el modelo estándar, y ciertamente son Majorana en la vida real, aunque estoy de acuerdo en que experimentalmente es una cuestión abierta. Los neutrinos estériles pueden tener cualquier masa que desee, no están estabilizados para ser masa cero por una carga de calibre, por lo que requieren un ajuste fino ridículo para ser masa TeV, y mucho menos masa eV. Salvo evidencia de su existencia, esta posibilidad debe excluirse a priori.
@Ron Maimon: excluir todo lo que es posible a priori es ridículo e históricamente ha llevado a todo tipo de locura, como los energistas que rechazan a Boltzmann o la guerra de Einstein contra la mecánica cuántica. Esté abierto y considere todas las opciones posibles. Sobre todo porque los neutrinos estériles de gran masa son al menos un candidato plausible para la materia oscura.
@Jerry Schirmer:, ¿por qué no considera que el Lagrangiano de Higgs podría romper un poco la invariancia rotacional?
Ron, @Jerry, ¿Tiene el inglés la expresión "Nadar entre dos aguas"? :-)
De todos modos, el balancín también necesita una masa de Dirac.
El "balancín" de @arivero: no es importante --- el "balancín" es un truco para obtener una masa de Neutrino a partir de una interacción explícitamente renormalizable en un SO (10) GUT. Sin renormalizabilidad, el término LLHH genera una masa de neutrinos con o sin balancín. La única razón por la que la gente está hablando de la masa de Dirac para los neutrinos es porque los modelos Large Extra Dimension no pueden suprimir los términos de masa de Majorana de orden KeV, por lo que los incompetentes Large Extra Dimensions yahoos _ cumplieron_ el requisito de que la masa de Neutrino debe ser Dirac, solo para que podría suprimir la masa.
@Ron: Nada de eso lo hace INCORRECTO, simplemente improbable. Los argumentos a priori son solo eso. Nadie quería creer en la teoría de GSW porque era aquiral. Nadie quería creer en la teoría U (3) para la interacción fuerte porque no era perturbadora en el límite de baja energía. Los murciélagos de realidad duran. Si alguien está haciendo algo mal, dígalo. Si encuentra algo improbable, dígalo. Pero no corra por ahí siendo engreído y mejor que todos confundiendo a los dos, y luego se esconda detrás del lenguaje técnico para intimidar a los demás.
@Jerry: Nunca utilizo lenguaje técnico para intimidar --- trato de ser lo más claro posible dentro del límite del espacio de comentarios. En algún nivel de probabilidad, lo improbable se vuelve incorrecto, por convención científica, en 5 sigma. ¡Un neutrino de Dirac tiene una masa que está ajustada a .1 eV! Teniendo en cuenta que no hay supresión de masas de Dirac, esto es 5.000.000 veces más ligero que el electrón, por lo que es mejor que 5 sigma. Históricamente, la teoría SU (3) QCD fue propuesta en 1973 y aceptada en 1974, la teoría GSW fue propuesta en 1967 y aceptada en 1972, ambas son extraordinariamente rápidas para los estándares de la ciencia histórica.
@Ron: hubo un debate de 20 años sobre los conceptos básicos de ambas teorías, incluso si hubo una pequeña brecha entre la versión final de las mismas y la aceptación (y todavía hubo reservas de GSW hasta que se descubrió el bosón Z a mediados de los 80). Las cosas de V-A fueron muy controvertidas en su día. También lo eran las hipótesis de los quarks de Gell-Mann.
@Jerry: hubo un debate sobre estas cosas, pero fueron consideradas y reflexionadas. No eran cuatro personas contra todo el mundo, como la teoría de cuerdas.
No creo que mucha gente, además de Lubos, argumente que la teoría de cuerdas es una ciencia verdadera aceptada. Sé que los profesores de teoría de cuerdas de mi departamento de posgrado ciertamente no lo hicieron.
@Jerry: La teoría de cuerdas es aceptada como una posibilidad matemáticamente consistente por casi todo el mundo. En la década de 1970 se rió de ello como una tontería engañosa, y la mayoría de los practicantes fueron expulsados ​​de la academia. Esta fue la gran catástrofe de la muerte de la teoría de la matriz S. Acerca de que la teoría de cuerdas es la teoría correcta de todo, estoy de acuerdo con Lubos al 100%.
@Ron: En la década de 1970, la teoría de cuerdas era una teoría de la interacción fuerte que no funcionó. Y sí, estoy de acuerdo en que casi todo el mundo está de acuerdo en que la teoría de cuerdas ha pasado una gran cantidad de pruebas de consistencia y ciertamente podría resultar correcta. Pero la fenomenología de cuerdas tiene un largo, muy largo camino por recorrer, y la teoría de cuerdas tiene dos grandes predicciones teóricas en supersimetría y dimensiones adicionales que siguen sin ser probadas ni reveladas antes de que alguien deba decir que es la teoría correcta de nuestro universo.
@Jerry: Estoy mayormente de acuerdo, excepto que la teoría de cuerdas _ sí_ funcionó como una teoría de interacciones fuertes, en la región del haz cercano, con una precisión del 20%, donde QCD es inútil. Era pésimo como teoría fundamental, o estaba lejos del rayo y del régimen profundamente inelástico. Pero los éxitos de la teoría de Regge fueron olvidados en los años 70. En los 80, obtienes modelos de quark constituyentes sin sentido que pretenden que los reggeons y pomeron no existen, ¡y algunos incluso fingen que el pion no es un bosón de Goldstone! Es triste pensar que todo el mundo de la teoría de Regge tuvo que perderse para una generación de fumadores de marihuana y redescubrirse solo ahora.
arivero
2011-09-16 14:28:43 UTC
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Si en lugar de "¿por qué ...?", ha preguntado "por qué yo ...", las respuestas especulativas también podrían considerarse. En 25 años, he pensado en algunos; quizás a algunas personas les gustaría agregar más, aquí como wiki de la comunidad (no genera representante) o en los comentarios si el representante es menor que 100.

  • Bloquee entre color y sabor.
  • la matriz de masa necesitaría ser 3x3 por alguna razón.
  • La matriz de masa es 3x3 como mínimo para violar el CP (pero podría ser más, entonces)
  • matriz de masa es 3x3 para usar las longitudes involucradas en alguna discretización del cálculo de derivadas hasta segundo orden. Relacionado con la ambigüedad de elegir un orden al cuantificar términos como $ xp $.
  • Tres generaciones provienen de la relación entre cuerdas bosónicas, con 24 direcciones transversales, y supercuerdas, con 8. Relacionado con la celosía Leech , cadenas heteróticas, etc.
  • tres generaciones sin los neutrinos son 84 helicidades, o tres generaciones con neutrinos Derecho e Izquierdo pero excluyendo el quark superior también son 84 helicidades. Este es también el número de componentes de la fuente de la membrana 11D, de la fama de la teoría M.
  • tres generaciones es la única solución para mi pequeña teoría, la sBootstrap, para trabajar con leptones además de quarks. E incluso solo con quarks, cualquier otra solución es más fea.
Dr BDO Adams
2011-11-27 07:37:38 UTC
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Razones teóricas para tres generaciones.

Tradicional.A. Cualquier cantidad menor a 3 generaciones no podría introducir una violación de CP en una gran desintegración de quarks. Esto en realidad conduce a la predicción de los quarks bottom y top.

GUT / String TheoryB. El grupo de mentiras especial más grande es E8, esto sucede que se divide muy bien en tres copias de E6, produciendo 3 generaciones.

-1: Esto es una tontería. Las generaciones no son copias del grupo de calibre, E8 _no_ se divide en más de 1 copia de E6, ciertamente no en las compactaciones de cadenas estándar, no se suman dimensiones para averiguar cómo se dividen los grupos de Lie, porque algunos generadores desaparecen completamente durante la ruptura. El número de generación está determinado por los modos cero fermiónicos en el colector de compactación, no por el grupo de Lie.
La representación adjunta de 248 dimensiones de E8 se transforma bajo SU (3) × E6 como: (8,1) + (1,78) + (3,27) + (\ overline {3}, \ overline {27}).
Lo que escribió es la incrustación estándar de SU (3) xE6 en E8 para reproducir una GUT de E6. Tenga en cuenta que solo hay una copia de E6, no tres.
Una copia de las fuerzas la versión 78 adjunta, pero copias gratuitas de los fermiones la 27-multpet. Tener las fuerzas y los fermiones en el mismo grupo, significa que tiene que ser una teoría supersimétrica, con E8_bosons * E8_fermions.
Hsch31
2019-01-31 23:37:33 UTC
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El Decuplet Baryon de Gell-Mann se puede mejorar y se puede demostrar que los 3 Quarks superiores y los 3 Quarks inferiores son exactamente los puntos de gravedad de los 6 Triangels.No hay más lugar. También hay 6 Gluones de doble color en el círculo horizontal del bosón de 1 Spin, pero los 2 Gluones multicolores toman los lugares perpendiculares W + 1 & W-1.

YouTube.com.Konstruktion Standardmodell

Esto no parece responder a la pregunta.


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Esta pregunta y respuesta fue traducida automáticamente del idioma inglés.El contenido original está disponible en stackexchange, a quien agradecemos la licencia cc by-sa 2.0 bajo la que se distribuye.
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