Vetviace pomery Z-častíc a počet generácií kvarkov

Oficiálne hodnoty vetviacich pomerov Z-častíc, získané kombináciou výsledkov zo všetkých štyroch experimentov sú nasledovné: Súhlasia tvoje hodnoty s týmito výsledkami? Ak nie, tušíš prečo?

Dôvodom sú častice nazývané neutrína, ktoré prenikajú detektorom nezaregistrované. Tieto zodpovedajú približne 20% všetkých rozpadov Z-častice, a preto ak zrátaš vetviace pomery viditeľných častíc, budeš mať len 80%.

Svoje výsledky vzhľadom na neviditeľné rozpady si môžeš veľmi rýchlo opraviť predelením celkového počtu eventov, ktoré si prezrel, číslom 0,8 a počítať vetviace pomery s touto hodnotou ako celkovým počtom eventov. Takže, napríklad, ak si prezrel 100 prípadov zrážok, dostaneš číslo 125. Inými slovami, predpokladáme, že pre tých 100 eventov, bolo ešte produkovaných 25 Z-častíc, ktoré sa rozpadli na neutrína nezaregistrované detektorom, a preto nie sú v súbore uvedené.

Súhlasia teraz tvoje prepočítané hodnoty s publikovanými výsledkami?

Čo to všetko znamená?

Meranie vetviacich pomerov je spôsob dozvedieť sa, ako podrobne fungujú interakcie častíc. Najprv si však všimni, aké podobné sú vetviace pomery elektrón-pozitrónových párov, mión-antimiónových párov a tau-antitau párov. Je to kvôli javu nazývanému leptónová univerzalita. Spomeň si na Štandardný model častíc:

Keď si čítal stránky o hmote a interakciách, budeš si pamätať, že častice hmoty sú zoradené do troch rodín. Najľahšia rodina obsahuje častice up-kvarky, down-kvarky, elektróny a elektrónové neutrína. Sú to práve kvarky a elektróny z tejto skupiny, ktoré vytvárajú všetku bežnú hmotu okolo nás.

Ťažšie rodiny sú zostavené z častíc veľmi podobných, ale hmotnejších než sú tie z najľahšej generácie. Mióny a tau leptóny sú ťažkí príbuzní elektrónov a každý z nich má pridružené neutrína. Spoločne sa elektróny, mióny, tau a neutrína nazývajú leptóny.

Pokiaľ je energia zrážky dostatočne vysoká na vytvorenie ťažšieho leptónu, príroda nenaznačuje žiadne uprednostňovanie jedného druhu nabitých leptónov pred druhým. To je vysvetlenie, čo znamená leptónová univerzalita a prečo sú vetviace pomery rovnaké pre elektrón-pozitrónové páry, mión-antimiónové páry a tau-antitau páry.

Teraz sa zamysli nad elektricky neutrálnymi leptónmi, neutrínami. Príroda aj s nimi všetkými zaobchádza rovnako, takže rozpad Z-častice je len akoby rozpad na neutríno-antineutrínový pár elektrónového, miónového alebo tau leptónového typu.

Ale je tu rozdiel medzi neutrálnymi a nabitými leptónmi. Dopadlo to tak, že Z-častica sa celkom pravdepodobne dvakrát viac rozpadá na neutrálny leptón-antileptónový pár než na nabitý leptón-antileptónový pár. To je dôvod, prečo rozpady Z-častice, ktoré vidíme v detektore zodpovedajú iba približne 80% z celkového počtu rozpadov Z-častice.

Počet generácií častíc

Vetviace pomery Z-častice nám ponúkajú možnosť vypátrať, koľko generácií častíc existuje vo vesmíre. Na účely tejto analýzy sme uvažovali o prítomnosti troch generácií a používali tento predpoklad, aby tvoje výsledky súhlasili s oficiálne publikovanými. Čo však bolo robené v reálnych experimentoch na LEP-e, je to, že pravdepodobnosť rozpadu Z-častice na produkty viditeľné detektorom bola meraná ako funkcia energie zrážky. Výsledkom je graf, ktorý vyzerá takto:
Tri farebné krivky zodpovedajú teoretickým predpovediam, ako by mal vyzerať tento graf pre dve, tri a štyri generácie častíc. Všimni si, že pík je najväčší v prípade dvoch generácií a najmenší pre štyri. Je to preto, lebo čím je menší počet generácií, tým väčšia je časť rozdadov Z-častice, kedy sa produkujú viditeľné častice, a tým je vyšší aj pík. Dáta veľmi dobre súhlasia s krivkou predpovedajúcou tri generácie, čo svedčí o tom, že ak je naša teória správna, potom tri generácie častíc, ktoré už poznáme, sú všetky možné, ktoré existujú. Čo nám to ale neprezrádza, je to, prečo sa príroda rozhodla vytvoriť dve kópie z častíc základnej rodiny. To je otázka adresovaná pre ďalšiu generáciu fyzikov. Žeby pre teba?