¿Qué conseguimos con las generaciones superiores de partículas?

Question

Antecedentes: He escrito un libro de ciencia popular que explica la mecánica cuántica a través de conversaciones imaginarias con mi perro -- El perro sirve como una especie de sustituto del lector, apareciendo de vez en cuando para hacer preguntas que un no científico podría hacer, y ahora estoy trabajando en una secuela. En la secuela, me encuentro con que tengo que hablar un poco de física de partículas, que no es mi campo, y he dado con una pregunta del perro como lector para la que no tengo una buena respuesta, que es, básicamente, "¿Para qué sirven, si es que sirven, las partículas de mayor generación?".

Para decirlo en términos un poco más físicos: El Modelo Estándar contiene doce partículas materiales: seis leptones (el electrón, el muón y el tau, más los neutrinos asociados) y seis quarks (up-down, strange-charm, top-bottom). Sin embargo, el universo observable sólo utiliza cuatro: todos los objetos materiales que vemos están formados por electrones y quarks up y down, y los neutrinos electrónicos se generan en reacciones nucleares que se mueven entre diferentes disposiciones de electrones y quarks up y down. Los otros ocho sólo aparecen en situaciones de física de alta energía (ya sea en aceleradores artificiales o en situaciones naturales como las colisiones de rayos cósmicos) y no permanecen mucho tiempo antes de descomponerse en los cuatro tipos comunes. Así que, para el observador casual, no parece haber un propósito obvio para las partículas más exóticas. Entonces, ¿por qué están ahí?

Me pregunto si hay alguna buena razón por la que el universo tal y como lo conocemos tiene que tener doce partículas en lugar de sólo cuatro. Algo así como "Sin la segunda y tercera generación de quarks y leptones, es imposible generar suficiente violación CP para explicar la asimetría materia-antimateria que observamos". Sólo que probablemente no sea eso exactamente, porque hasta donde yo sé, no hay manera de explicar la asimetría materia-antimateria que observamos dentro del Modelo Estándar. Pero sí algo parecido: alguna característica fundamental de nuestro universo que requiera la existencia de muones y quarks extraños y todo lo demás, y que impida un universo con sólo electrones y quarks up y down.

La pregunta no es "¿por qué creemos que hay tres generaciones en lugar de dos o cuatro?". Ya he visto las respuestas a eso aquí y en otros lugares. Más bien, estoy preguntando "¿Por qué hay tres generaciones en lugar de sólo una?" ¿Hay algún proceso importante en el universo que requiera que haya muones, quarks extraños, etc. para que las cosas acaben como están? ¿Hay alguna razón más allá de "sabemos que existen porque están ahí", algo que nos impida crear un universo como el que observamos a baja energía utilizando sólo electrones, quarks up y down y neutrinos electrónicos?

Cualquier indicación que puedas dar sobre un ejemplo de algún efecto que dependa de la presencia de las generaciones superiores del Modelo Estándar será muy apreciada. Y si lo tiene en términos comprensibles para un no científico, sería un plus.

Answer 1

La pregunta: "Me pregunto si hay alguna buena razón por la que el universo tal y como lo conocemos tiene que tener doce partículas en lugar de sólo cuatro".

La respuesta corta: Nuestra actual descripción estándar de la propiedad de espín-1/2 de las partículas elementales es incompleta. Una teoría más completa requeriría que estas partículas llegaran en 3 generaciones.

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La respuesta media: El espín-1/2 de los fermiones elementales es una propiedad emergente. La propiedad de espín más fundamental actúa como la posición en el sentido de que el principio de incertidumbre de Heisenberg se aplica a las mediciones consecutivas del espín fundamental de la misma manera que el HUP se aplica a las mediciones de posición. Este espín fundamental es invisible para nosotros porque está renormalizado. Lo que queda son tres generaciones de la partícula, cada una con el espín-1/2 habitual.

Cuando una partícula se desplaza a través de las posiciones, lo hace por medio de una interacción entre la posición y el momento. Son variables complementarias. El concepto equivalente para el espín-1/2 es el de "bases mutuamente insesgadas" o MUBs. Sólo hay (como máximo) tres MUBs para el espín-1/2. Dejar que el espín de una partícula se mueva entre ellas significa que el número de grados de libertad de la partícula se ha triplicado. Así que cuando se encuentran los propagadores de tiempo largo sobre esa álgebra de Hopf se termina con el triple del número habitual de partículas. Por lo tanto, hay tres generaciones.

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La respuesta larga: Las dos cosas (más o menos clásicas) que podemos medir teóricamente para una partícula de espín-1/2 son su posición y su espín. Si medimos su espín, el espín se ve forzado a entrar en un estado propio de espín, de modo que al medirlo de nuevo se obtiene el mismo resultado. Es decir, una medición del espín hace que el espín esté determinado. Por otro lado, si medimos su posición, entonces, por el principio de incertidumbre de Heisenberg, provocaremos un cambio desconocido en su momento. El cambio en el momento hace imposible que podamos predecir el resultado de una posterior medición de la posición.

Como físicos cuánticos, hace tiempo que nos acostumbramos a este extraño comportamiento. Pero imaginemos que la naturaleza es parsimoniosa con su maquinaria subyacente. De ser así, esperaríamos que las mediciones fundamentales (es decir, antes de la renormalización) de la posición y el espín de una partícula de espín 1/2 fueran similares. Para que tal teoría funcione, hay que demostrar que después de la renormalización se obtiene el espín-1/2 habitual.

En el documento se ofrece una posible solución a este enigma:
Found.Phys.40:1681-1699,(2010), Carl Brannen, Integrales de trayectorias de giro y generaciones
http://arxiv.org/abs/1006.3114
El documento es un sencillo cálculo de resumen de QFT. Supone un espín-1/2 extraño (para nosotros) en el que las mediciones actúan como las no tan extrañas mediciones de posición. Resume los propagadores para la teoría y encuentra que el comportamiento extraño desaparece en tiempos largos. Los propagadores de tiempo largo son equivalentes a los del espín-1/2 habitual. Además, aparecen en tres generaciones. Y muestra que los propagadores de tiempo largo tienen una forma que coincide con las misteriosas fórmulas de masa de leptones de Yoshio Koide.

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Revisión por pares: El artículo fue revisado por tres revisores mediante un arduo proceso. Como cualquier artículo de una revista, tuvo un director y un editor jefe. Los físicos competentes que se tomaron la molestia de leer detenidamente el artículo ya han presentado quejas sobre la física. Es poco probable que alguien que haga una lectura rápida del artículo vaya a encontrar algo que no haya sido ya argumentado. El artículo fue seleccionado por el editor jefe de Found. Phys. como adecuado para su publicación en esa revista y así se publicó el año pasado.

El editor jefe de Found. Phys. es ahora Gerard 't Hooft. Su actitud sobre la publicación de basura es bastante clara, escribe
Cómo convertirse en un mal físico teórico

En tu camino para convertirte en un mal teórico, tome su propia teoría inmadura teoría, deja de comprobar si hay errores, no escuches a los colegas que sí detectan debilidades, y empieza a admirar tu propia inteligencia infalible. Intenta de criticar a todos los que le critican, y de todos modos que su trabajo se publique de todos modos. Si el medios científicos establecidos se niegan a a publicar su trabajo, cree su propia editorial y edite sus propios libros. libros. Si eres realmente inteligente puedes puede encontrar un antiguo revista profesional de física en la que el editor jefe está dormido. http://www.phys.uu.nl/~thooft/theoristbad.html

Uno espera que 't Hooft no estuviera dormido cuando permitió que se publicara este documento.

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Extensiones: Mi siguiente artículo sobre el tema amplía el cálculo anterior para obtener los números cuánticos de hipercarga débil e isospín débil. Utiliza métodos similares al anterior, es decir, el cálculo de propagadores de tiempo largo, pero utiliza un método más sofisticado de manipulación de los diagramas de Feynman llamado "álgebra de Hopf" o "álgebra cuántica". Estoy pensando en enviarlo a la misma revista. Está a punto de ser terminado, básicamente necesito releerlo una y otra vez y añadir referencias:
http://brannenworks.com/E8/HopfWeakQNs.pdf

Answer 2

En la actualidad, estoy de acuerdo con la cita de dmckee "¿Quién ordenó eso?", en el sentido de que el Modelo Estándar debe tomar la lista de partículas fundamentales como una entrada, es decir, no proporciona ninguna explicación (al igual que no explica la carga de color). Yo diría que la violación del CP no es tan necesaria para la teoría (siéntase libre de corregirme aquí), sino que es una observación de la realidad, como las propias partículas.

Algunas teorías en desarrollo, como la Teoría de Cuerdas, sí proporcionan una razón para precisamente tres familias (como menciona Jerry). En el caso de la Teoría de Cuerdas, se debe a las oscilaciones de cuerda permitidas, que a su vez dependen del número de dimensiones (compactadas y extendidas). (El número de dimensiones y la forma en que se compactan es más fundamental que el número de familias de partículas, por lo que yo diría que, si bien es posible que hayamos obtenido el número de dimensiones en parte para que las familias de partículas funcionen, muchas otras cosas, como la predicción de las propiedades del todavía teórico gravitón, también dependen de los parámetros dimensionales. Esto me lleva a afirmar que la elección del número de dimensiones es más que un parámetro dictado por el número de familias de partículas, es decir, que las dimensiones predicen tres familias, en lugar de que las tres familias se utilicen para elegir el número y la forma de las dimensiones).

Así que, desde el punto de vista de la ciencia popular, tendría que decir que la teoría actualmente aceptada no puede explicar realmente por qué tenemos tres familias de partículas, pero los teóricos están trabajando duro en nuevas teorías, algunas de las cuales pueden explicarlo como consecuencia de algo más profundo (con una nota lateral apropiada de que las teorías existentes son fantásticamente buenas para explicar nuestro mundo, pero que sabemos que tienen deficiencias muy específicas en casos muy especiales, y no estaremos satisfechos hasta que las hayamos aclarado. Añado esto porque me cansan los argumentos de carácter religioso que toman la pequeñísima parte que no entendemos y la utilizan para afirmar que no entendemos nada).

Answer 3

Me planteo esta cuestión como físico de partículas y como lector. Supongo que le habrás explicado a tu perro lo de los potenciales y las soluciones mecánicas cuánticas que permiten atrapar electrones alrededor de los núcleos, así que el perro está familiarizado con la naturaleza cuántica del mundo :). Podrías ilustrarlo con un oscilador armónico y mostrar que, dadas diferentes potencias, los niveles de energía cambian en consecuencia. Entonces estás listo para hacer una analogía . Cada nivel de energía es una "partícula" en potencia, si se cuenta con el material adecuado. Si tienes un átomo de hidrógeno tienes un protón y un electrón, y sólo tienes un átomo de hidrógeno, aunque haya muchos niveles de energía. Si tienes un helio llenas dos niveles de energía y el resto de las líneas de potencial están libres. Puedes hablar de añadir energía para llegar a un estado excitado y seguir teniendo el mismo átomo.

Se puede hacer una analogía del modelo estándar, ver por ejemplo el gráfico en el libro de física de partículas Figura 14.4. La entrada de energía eleva un nucleón (tres quarks) a un estado excitado superior "cuasi estable", que contiene nuevas generaciones de quarks. Esto da el argumento de que los quarks y leptones que componen nuestro mundo son los niveles análogos de energía más bajos llenos que crean la materia de la que dependemos. Las generaciones extra están ahí de la misma manera que los niveles extra están ahí en el problema mecánico cuántico simple y pueden llenarse y aparecer dada la energía suficiente. Están ahí por la forma del "potencial" que los hace posibles en orden y agrupaciones que son necesarias dadas las soluciones de materia estable que observamos, que todavía están en la frontera de los estudios teóricos actuales de la física.

Es cierto que términos de orden superior en QCD incluirá todas las generaciones y podría ser que la solución de los nucleones no fuera estable si estas generaciones superiores no estuvieran allí, pero tal vez alguien más podría pensar en una analogía para eso.

Answer 4

He decidido elevar mi comentario sobre su pregunta a una respuesta:

A raíz del comentario de dmckee (+1), he buscado en Google "cosmological effects of mezcla de neutrinos". Hay resultados relevantes, aunque no estoy cualificado para para tamizarlos por ti. Menos cosmológicamente, la mezcla de neutrinos podría modificar los efectos de formación de estrellas de las supernovas en las nubes de gas cercanas. Buscar en Google "supernova neutrino mixing" me parece mucho más interesante. En puede afectar incluso a la existencia de supernovas. Si no hubiera ninguna Si no hubiera ninguna, no habría ni perros ni conejos, aunque, quién sabe, podría podría seguir habiendo ardillas. Una pregunta más específica sobre las supernovas y la la mezcla de neutrinos podría ser buena.

Esto no quiere decir que la mezcla de neutrinos causa Supernovas, incluso si se diera el caso de que las Supernovas no se produjeran si no hubiera mezcla de neutrinos. Es el caso contingente de que observamos Supernovas, y la mayoría de los modelos toman las Supernovas como una fuente principal de metales pesados, particularmente hierro, y es el caso contingente de que observamos la mezcla de neutrinos. Seguro que hay alguien en Physics SE que sabe directamente si la mezcla de neutrinos juega un papel importante en los modelos astrofísicos actuales para las Supernovas.

Al final, sin embargo, esto es sólo para decir que los efectos que son muy sutiles a pequeña escala puede tienen consecuencias manifiestas a gran escala. En el Mundo de los Perros -que normalmente no se preocupa por las mariposas, incluso si alguien especula que podrían causar un huracán en algún lugar -, si Emmy no come nada durante 2 horas, puede que no lo note, pero si Emmy no come durante tres días, todo el mundo se daría cuenta.

Quiero cambiar un detalle de mi comentario - si puede haber una categoría metafísica de cosas que se comportan como "ardillas", incluso sin hierro en el mundo, porque, contrafácticamente, modificamos el Universo para que no haya una categoría metafísica de cosas que se comporten como "campos cuánticos de neutrinos que se mezclan", seguramente también habría una categoría metafísica de cosas que se comportan como "perros". Yo no lo consigo, pero me da envidia tu tropo de los perros.

Answer 5

Querido Chad, pensé que eras ateo. La mayoría de los ateos tienden a darse cuenta de que muchas cosas que existen en el Universo no tienen "propósito". La existencia del Universo no tiene ningún "propósito" que pueda ser demostrado científicamente.

Incluso si la vida pudiera existir en un Universo con 1 generación de quarks y leptones, lo cual me parece plausible (aunque no podría producir instantáneamente ninguna compactación de cuerdas con 1 generación), uno podría preguntarse por qué el Universo sólo tiene 1 de ellos si puede tener varias generaciones.

La idea de que 1 generación es inevitablemente "cualitativamente más probable" o "cualitativamente más natural" que 3 generaciones es simplemente errónea. La vida podría existir en algún lugar de un Universo con 1 generación. Los parámetros y las moléculas relevantes para la vida -y los diagramas de fase del QCD, etc. - tendrían que ser recalculados, pero no se conoce ninguna prueba que demuestre que la vida sería imposible en un universo así.

Por lo demás, el hecho de que haya 3 generaciones en un Universo concreto puede derivarse de propiedades más profundas de la teoría de cuerdas (la mitad del carácter de Euler de la forma de Calabi-Yau, asumiendo una compactación heterótica convencional por un tiempo), y como he insinuado, incluso en este mismo punto, podría ser posible demostrar que el número de generaciones no puede ser uno, entre otros valores prohibidos. Aunque se conocen modelos de tres generaciones, no se sabe del todo en este momento si 3 generaciones es una solución única para algunas condiciones o si es una coincidencia, como el razonamiento antrópico quiere que creamos inmediatamente.