Além da matéria escura e da energia escura desconhecida pela ciência, o Modelo Padrão da Física de Partículas também enfrenta dificuldades em explicar por que os férmions somam três conjuntos quase idênticos.
Para uma teoria que ainda carece de componentes bastante grandes, o Modelo Padrão de Partículas e Interações foi bastante bem-sucedido. Ele leva em consideração tudo que encontramos diariamente: prótons, nêutrons, elétrons e fótons, bem como elementos exóticos como o bóson de Higgs e os quarks verdadeiros. No entanto, a teoria é incompleta, pois não pode explicar fenômenos como matéria escura e energia escura.
O sucesso do Modelo Padrão se deve ao fato de ele fornecer um guia útil para as partículas de matéria que conhecemos. As gerações podem ser chamadas de um desses padrões importantes. Parece que cada partícula de matéria pode ser de três versões diferentes, que diferem apenas na massa.
Os cientistas estão se perguntando se esse padrão tem uma explicação mais detalhada ou se é mais fácil acreditar que alguma verdade oculta o substituirá.
O modelo padrão é um menu que contém todas as partículas fundamentais conhecidas que não podem mais ser divididas em suas partes componentes. É dividido em férmions (partículas de matéria) e bósons (partículas que carregam interações).
Modelo Padrão de Partículas Elementares e Interações / Colaboração ALEPH.
As partículas de matéria incluem seis quarks e seis léptons. Os quarks são os seguintes: superior, inferior, encantado, estranho, verdadeiro e adorável. Eles geralmente não existem separadamente, mas se agrupam para formar partículas mais pesadas, como prótons e nêutrons. Os léptons incluem elétrons e seus primos, múons e tau, bem como três tipos de neutrinos (neutrino de elétron, neutrino de muônico e neutrino de tau).
Todas as partículas acima são divididas em três "gerações" que literalmente se copiam. Os quarks top, charmed e true têm a mesma carga elétrica, bem como as mesmas interações fracas e fortes: eles diferem principalmente nas massas que o campo de Higgs lhes dá. O mesmo se aplica aos quarks down, estranhos e bonitos, bem como ao elétron, múon e tau.
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Como mencionado acima, essas diferenças podem significar algo, mas os físicos ainda não descobriram o quê. A maioria das gerações varia muito em peso. Por exemplo, um tau lepton é cerca de 3.600 vezes mais massivo que um elétron, e um quark verdadeiro é quase 100.000 vezes mais pesado que um quark up. Essa diferença se manifesta na estabilidade: as gerações mais pesadas se dividem em mais leves até atingirem os estados mais amenos, que permanecem estáveis para sempre (até onde se sabe).
As gerações desempenham um papel importante na experimentação. Por exemplo, o bóson de Higgs é uma partícula instável que se decompõe em muitas outras partículas, incluindo leptons de tau. Acontece que, devido ao fato de o tau ser a mais pesada das partículas, o bóson de Higgs "prefere" se transformar em tau com mais frequência do que em múons e elétrons. Como observam os aceleradores de partículas, a melhor maneira de estudar as interações do campo de Higgs com os léptons é observando a decadência do bóson de Higgs em dois tau.
Decaimento do bóson de Higgs em quarks bonitos / ATLAS Collaboration / CERN.
Esse tipo de observação está no cerne da física do Modelo Padrão: bata duas ou mais partículas umas contra as outras e veja quais partículas aparecem, depois procure nos resíduos por padrões - e, se você tiver sorte, verá algo que não se ajusta à sua imagem.
E embora coisas como matéria escura e energia escura claramente não se encaixem em modelos modernos, existem alguns problemas com o próprio Modelo Padrão. Por exemplo, segundo ele, os neutrinos não deveriam ter massa, mas experimentos mostraram que os neutrinos ainda têm massa, mesmo que seja incrivelmente pequena. E, ao contrário dos quarks e dos léptons eletricamente carregados, a diferença de massas entre as gerações de neutrinos é insignificante, o que explica suas flutuações de um tipo para outro.
Não tendo massa, os neutrinos são indistinguíveis uns dos outros, com massa - eles são diferentes. A diferença entre suas gerações confunde teóricos e experimentadores. Como observou Richard Ruiz, da Universidade de Pittsburgh: "Há um padrão que nos observa, mas não podemos descobrir exatamente como ele deve ser entendido."
Mesmo se houver apenas um bóson de Higgs - aquele no Modelo Padrão - há muito a aprender observando suas interações e decadência. Por exemplo, examinar com que frequência o bóson de Higgs se transforma em tau em comparação com outras partículas pode testar a validade do modelo padrão, bem como obter pistas sobre a existência de outras gerações.
Claro, dificilmente existem mais gerações, já que o quark de quarta geração deve ser muito mais pesado do que até mesmo um quark verdadeiro. Mas as anomalias na separação de Higgs dizem muito.
Novamente, hoje nenhum dos cientistas entende por que existem exatamente três gerações de partículas de matéria. No entanto, a estrutura do Modelo Padrão é em si uma pista para o que pode estar fora dele, incluindo o que é conhecido como supersimetria. Se os férmions têm parceiros supersimétricos, eles também devem ter três gerações. Como suas massas são distribuídas pode ajudar a entender a distribuição de massa de férmions no Modelo Padrão, bem como por que eles se encaixam nesses padrões específicos.
A supersimetria pressupõe a existência de um "superparceiro" / CERN / IES de SAR mais pesado para cada partícula do Modelo Padrão.
Independentemente de quantas gerações de partículas existam no Universo, o próprio fato de sua presença permanece um mistério. Por um lado, “gerações” nada mais são do que uma organização conveniente de partículas de matéria no Modelo Padrão. No entanto, é inteiramente possível que essa organização possa sobreviver em uma teoria mais profunda (por exemplo, uma teoria em que os quarks são compostos de partículas hipotéticas ainda menores - preons), o que pode explicar por que quarks e leptons parecem formar esses padrões.
Afinal, embora o Modelo Padrão ainda não seja uma descrição definitiva da natureza, ele tem feito seu trabalho muito bem até agora. Quanto mais a comunidade científica se aproxima das bordas do mapa desenhado por essa teoria, mais os cientistas se aproximam de uma descrição verdadeira e precisa de todas as partículas e suas interações.
Vladimir Guillen
