Strona głównaPytania → Dlaczego w Modelu Standardowym mamy...

Dlaczego w Modelu Standardowym mamy trzy pokolenia kwarków i leptonów?

Pytanie

Pyta Maksio Bastek

Dlaczego w Modelu Standardowym mamy trzy pokolenia kwarków i leptonów? Dlaczego kwarki i gluony są w protonie i neutronie zawsze po trzy?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Zacznijmy od protonu i neutronu. Są to stany związane kwarków, antykwarków i gluonów. Kwarków jest o trzy więcej niż antykwarków. Gluonów nie da się policzyć, tak samo jak nie da się policzyć fotonów w elektromagnetycznym polu Coulomba wokół ładunku punktowego.

Te dodatkowe trzy kwarki nazywają się kwarkami walencyjnymi. Muszą one być w stanie neutralnym ze względu na oddziaływania silne, w tym samym sensie w jakim atom wodoru jest neutralny ze względu na oddziaływania elektromagnetyczne (pola Coulomba protonu i elektronu kompensują się). Oddziaływania silne dopuszczają stany neutralne, w których albo nie ma żadnych kwarków walencyjnych („glueballs”), albo cząstkami walencyjnymi są kwark i antykwark (mezony), albo cząstkami walencyjnymi są trzy kwarki (bariony, w tym proton i neutron), albo trzy antykwarki (antybariony), albo bardziej skomplikowane układy (np. niedawno odkryte pentakwarki). Istnienie „glueballs” nie zostało dotąd w sposób niezaprzeczalny stwierdzone doświadczalnie, natomiast mezonów i barionów obserwujemy krocie. Zrozumienie tego, dlaczego tylko niektóre układy cząstek walencyjnych są dopuszczalne wymaga wniknięcia w strukturę teorii oddziaływań silnych opartej na grupie SU(3) (grupie obrotów trójwymiarowej przestrzeni zespolonej), w strukturę reprezentacji tej grupy, a następnie przeanalizowania które z iloczynów tensorowych zawierają singlety.

Wszystkie dotąd wymienione liczby 3 nie mają nic wspólnego z faktem, że w Modelu Standardowym mamy dokładnie 3 pokolenia kwarków i leptonów. Teoria ta byłaby matematycznie spójna niezależnie od ilości pokoleń. Fakt istnienia dokładnie trzech pokoleń stwierdziliśmy jedynie doświadczalnie. Obserwujemy bezpośrednią produkcję wszystkich cząstek z trzech pokoleń, nie obserwujemy produkcji innych kwarków lżejszych niż kwark t, a istnienie cięższych wykluczamy na podstawie pomiaru prawdopodobieństwa produkcji cząstki Higgsa w LHC. To nie oznacza, że nie mogą w ogóle istnieć cięższe kwarki. Jednak gdyby istniały, nie mogą po prostu tworzyć kolejnej nowej generacji, różniącej się od poprzednich jedynie siłą sprzężenia z bozonem Higgsa (i, co za tym idzie, masami).

Warto dodać, że trzy pokolenia są minimalną ilością potrzebną do tego, aby w Modelu Standardowym mogło wystąpić (obserwowane doświadczalnie) naruszenie symetrii CP, tj. jednoczesnego odbicia w lustrze i zamiany cząstek na antycząstki. Za tę obserwację przyznano nagrodę Nobla w 2008. Naruszenie symetrii CP jest jednym z warunków koniecznych, aby we wczesnym Wszechświecie powstała asymetria między materią a antymaterią, i aby nie doszło do pełnej anihilacji materii i antymaterii. Dzięki temu pozostało „trochę” nukleonów i elektronów, z których utworzyły się później atomy, gwiazdy i galaktyki. Dokładniejsza analiza tego problemu prowadzi jednak do wniosku, że potrzebne są inne źródła naruszenia CP niż tylko te znane z Modelu Standardowego. Mogą one wystąpić w oddziaływaniach ciężkich, nieodkrytych jeszcze cząstek, nie mieszczących się w opisie dostarczanym przez Model Standardowy.