En plus de la matière noire et de l'énergie noire inconnues de la science, le modèle standard de physique des particules rencontre également des difficultés pour expliquer pourquoi les fermions ajoutent jusqu'à trois ensembles presque identiques.
Pour une théorie qui manque encore de composants assez volumineux, le modèle standard des particules et des interactions a été assez réussi. Il prend en compte tout ce que nous rencontrons au quotidien: les protons, les neutrons, les électrons et les photons, ainsi que les exotiques comme le boson de Higgs et les vrais quarks. Cependant, la théorie est incomplète, car elle ne peut pas expliquer des phénomènes tels que la matière noire et l'énergie noire.
Le succès du modèle standard est dû au fait qu'il fournit un guide utile sur les particules de matière que nous connaissons. Les générations peuvent être appelées l'un de ces modèles importants. Il semble que chaque particule de matière peut être de trois versions différentes, qui ne diffèrent que par la masse.
Les scientifiques se demandent si ce modèle a une explication plus détaillée, ou s'il est plus facile de croire qu'une vérité cachée le remplacera.
Le modèle standard est un menu contenant toutes les particules fondamentales connues qui ne peuvent plus être décomposées en leurs composants. Il est divisé en fermions (particules de matière) et bosons (particules porteuses d'interactions).
Modèle standard des particules élémentaires et des interactions / collaboration ALEPH.
Les particules de matière comprennent six quarks et six leptons. Les quarks sont les suivants: haut, bas, charmé, étrange, vrai et adorable. Ils n'existent généralement pas séparément, mais se regroupent pour former des particules plus lourdes telles que des protons et des neutrons. Les leptons comprennent les électrons et leurs cousins, les muons et le tau, ainsi que trois types de neutrinos (neutrino électronique, neutrino muonique et neutrino tau).
Toutes les particules ci-dessus sont divisées en trois «générations» qui se copient littéralement. Les quarks top, charmés et vrais ont la même charge électrique, ainsi que les mêmes interactions faibles et fortes: ils diffèrent principalement par les masses que leur donne le champ de Higgs. Il en va de même pour les quarks down, étranges et jolis, ainsi que pour l'électron, le muon et le tau.
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Comme mentionné ci-dessus, de telles différences peuvent signifier quelque chose, mais les physiciens n'ont pas encore compris quoi. La plupart des générations varient considérablement en poids. Par exemple, un lepton tau est environ 3 600 fois plus massif qu'un électron, et un vrai quark est presque 100 000 fois plus lourd qu'un quark up. Cette différence se manifeste dans la stabilité: les générations les plus lourdes se décomposent en générations plus légères jusqu'à ce qu'elles atteignent les états les plus doux, qui restent stables pour toujours (pour autant que l'on sache).
Les générations jouent un rôle important dans l'expérimentation. Par exemple, le boson de Higgs est une particule instable qui se désintègre en de nombreuses autres particules, y compris les leptons tau. Il s'avère qu'en raison du fait que tau est la plus lourde des particules, le boson de Higgs "préfère" se transformer en tau plus souvent qu'en muons et électrons. Comme le notent les accélérateurs de particules, la meilleure façon d'étudier les interactions du champ de Higgs avec les leptons est d'observer la désintégration du boson de Higgs en deux tau.
Décomposition du boson de Higgs en jolis quarks / Collaboration ATLAS / CERN.
Ce type d'observation est au cœur même de la physique du modèle standard: heurtez deux ou plusieurs particules les unes contre les autres et voyez quelles particules apparaissent, puis recherchez dans les résidus des motifs - et, si vous avez de la chance, vous verrez quelque chose qui ne correspond pas à votre image.
Et bien que des choses comme la matière noire et l'énergie noire ne rentrent clairement pas dans les modèles modernes, il y a quelques problèmes avec le modèle standard lui-même. Par exemple, selon lui, les neutrinos devraient être sans masse, mais des expériences ont montré que les neutrinos ont toujours une masse, même si elle est incroyablement petite. Et, contrairement aux quarks et aux leptons chargés électriquement, la différence de masse entre les générations de neutrinos est insignifiante, ce qui explique leurs fluctuations d'un type à l'autre.
N'ayant pas de masse, les neutrinos sont indiscernables les uns des autres, avec la masse - ils sont différents. La différence entre leurs générations laisse perplexe les théoriciens et les expérimentateurs. Comme l'a noté Richard Ruiz de l'Université de Pittsburgh, "Il y a un modèle qui nous regarde, mais nous ne pouvons pas comprendre exactement comment il doit être compris."
Même s'il n'y a qu'un seul boson de Higgs - celui du modèle standard - il y a beaucoup à apprendre en observant ses interactions et sa désintégration. Par exemple, examiner la fréquence à laquelle le boson de Higgs se transforme en tau par rapport à d'autres particules peut tester la validité du modèle standard et obtenir des indices sur l'existence d'autres générations.
Bien sûr, il n'y a guère plus de générations, puisque le quark de quatrième génération devrait être beaucoup plus lourd que même un vrai quark. Mais les anomalies de la rupture de Higgs en disent long.
Encore une fois, aucun des scientifiques ne comprend aujourd'hui pourquoi il existe exactement trois générations de particules de matière. Néanmoins, la structure du modèle standard est elle-même un indice de ce qui peut se trouver en dehors de celui-ci, y compris ce que l'on appelle la supersymétrie. Si les fermions ont des partenaires supersymétriques, ils doivent également durer trois générations. La façon dont leurs masses sont distribuées peut aider à comprendre la distribution de masse des fermions dans le modèle standard, ainsi que la raison pour laquelle ils s'inscrivent dans ces modèles particuliers.
La supersymétrie suppose l'existence d'un "super partenaire" plus lourd / CERN / IES de SAR pour chaque particule du modèle standard.
Indépendamment du nombre de générations de particules présentes dans l'Univers, le fait même de leur présence reste un mystère. D'une part, les «générations» ne sont rien de plus qu'une organisation pratique des particules de matière dans le modèle standard. Cependant, il est tout à fait possible que cette organisation puisse survivre dans une théorie plus profonde (par exemple, une théorie où les quarks sont composés de particules hypothétiques encore plus petites - les préons), ce qui pourrait expliquer pourquoi les quarks et les leptons semblent former ces modèles.
Après tout, même si le modèle standard n'est pas encore une description définitive de la nature, il a assez bien fait son travail jusqu'à présent. Plus la communauté scientifique se rapproche des bords de la carte dessinée par cette théorie, plus les scientifiques se rapprochent d'une description vraie et précise de toutes les particules et de leurs interactions.
Vladimir Guillen
