Почему частицы материи образуют «тройки»? [часть 2] (1 фото + 1 гиф)

В дни бурной молодости Стандартной модели объяснение того, откуда появились атрибуты частиц, рассматривалось как следующий логический шаг. Энтони Зи (Anthony Zee) вспоминает, как просил своего тогдашнего аспиранта Стивена Барра (Stephen Barr) вычислить массу электрона в качестве его докторского проекта – то есть решить ту задачу, к которой недавно вернулся Вайнберг, более 40 лет спустя. Барр и Зи опубликовали довольно сырую идею в 1978 году, но в это время на сцене появилась теория струн, говорит Зи, сводя к нулю все эти усилия.

Основная идея Барра и Зи, частично вдохновленная более ранними работами Вайнберга, состояла в том, чтобы следовать за массой. По сравнению с весомым весом верхнего кварка массы электрона и других частиц выглядят как ошибки округления. Возможно, потому что это они и есть. Барр и Зи предположили, что только вес более тяжелых частиц является в некотором смысле фундаментальным.

В 2008 году теория Фокса и Богдана Добреску из Фермилаба (Theory by Fox and Bogdan Dobrescu of Fermilab) началась там, где они остановились. Масса верхнего кварка примерно равна средней энергии поля Хиггса, поэтому Фокс и Добреску предположили, что только верхний кварк проходит через поле стандартным образом. «Верхний явно особенный в некоторых отношениях», - заявил Фокс.

Другие частицы испытывают поле Хиггса косвенно. Это возможно, потому что квантово-механическая неопределенность позволяет частицам материализоваться в течение коротких моментов. Эти мимолетные явления образуют облака «виртуальных» частиц вокруг более постоянных сущностей. Например, когда виртуальные верхние кварки собираются вокруг мюона (второе поколение), они могут подвергать мюон воздействию поля Хиггса посредством взаимного взаимодействия с новой теоретической частицей, что дает мюону немного массы. Но поскольку воздействие является косвенным, частица остается намного легче, чем максимально возможно.

Второй круг этой игры в «квантовый телефон» делает относящийся к «первому поколению» электрон снова более легким благодаря тому же фактору, объясняя прилизительное расстояние между поколениями в тысячи, сотни и несколько МэВ массы. (Самые легкие частицы из всех, нейтрино, также существуют в трех поколениях. Но они действуют несколько иначе, чем другие фундаментальные массивные частицы, что они не вписываются в такие схемы).

В публикации Вайнберга рассматривается целый ряд способов, с помощью которых эта телефонная игра могла бы работать. Он допускает возможность воспринимать поле Хиггса всем третьим поколениям частиц материи, то есть верхнему кварку, нижнему кварку и тау-частице. Масса стекает во второе и первое поколения оттуда через взаимодействия с экзотическими виртуальными частицами.

Однако попытки Вайнберга, Фокса и Добреску не увенчались успехом. Последние два закончили тем, что увеличили (а не уменьшили) число необъяснимых констант в Стандартной модели, чтобы учесть массы частиц трех поколений. Предложение Вайнберга дает неправильные соотношения между определенными массами и не описывает, как частицы более высокого поколения могут превращаться в частицы более низкого поколения (явление, которое объясняет, почему мы не видим атомы, сделанные из частиц второго или третьего поколения). Осбудить его работу с Вайнбергом другим ученым пока не удалось, но Фокс предполагает, что Вайнберг, вероятно, написал об исследовании, чтобы побудить новичков принять вызов и отметить проблемы, с которыми они обязательно столкнутся.

Фокс видит эти препятствия не как смертельные удары, а как знак того, что теории нуждаются в доработке. «Природа никогда не бывает такой, какой ты ее представляешь с первого взгляда», - сказал он. «У вас есть прекрасная идея, и она как бы дает вам 80% пути».

Другие исследователи не уверены, что выделение третьего поколения и массирование временных облаков частиц - это вообще правильный путь. Есть еще надежда объяснить три поколения, внедрив Стандартную модель в более крупную структуру, такую как теория струн. Одна модель, которую она изучает, уменьшает количество значений фундаментальной массы, добавляя во вселенную несколько новых хиггсоподобных полей, хотя экзотические частицы, связанные с этими гипотетическими полями, слишком тяжелы для поиска с помощью Большого адронного коллайдера в Европе.

Единственным убедительным доказательством, которое могло бы поддержать или провести различие между теориями масс частиц вещества, было бы открытие различных экзотических частиц, которые теория предсказывает. Большой адронный коллайдер пока не обнаружил ни одной, но Фокс не теряет надежду, что когда-нибудь мечты свершатся. Он полагает, что эксперименты, исследующие редкие превращения частиц, такие как распад мюона на электрон, который будет изучен экспериментом Фермилаба Mu2e после того, как он будет запущен в этом году, имеют наилучшие шансы косвенного обнаружения злополучных частиц и оживления Стандартной модели.

«Мы не знаем, имеет ли это смысл», - сказал он. «Нам придется подождать и посмотреть».