Ursprung der Lepton/Quark-Generationen?

Wir haben keine gute Erklärung dafür, warum die Quarks und Leptonen in Generationen zerfallen. Aber wir haben einige sehr starke Argumente dafür, dass es so sein muss , aufgrund der Art und Weise, wie sich die schwachen Wechselwirkungen verhalten.

Erstens sagen uns die schwachen Wechselwirkungen, dass jedes Lepton mit einem Neutrino gepaart werden sollte und dass jedes Quark mit der Ladung 2/3 mit einem Quark mit der Ladung -1/3 gepaart werden sollte. Diese Paarung ist nur notwendig, um die Lagrange-Funktion für die schwachen Wechselwirkungen aufzuschreiben.

Der zweite Teil ist noch seltsamer. Die schwachen Wechselwirkungen sind chiral; Sie behandeln linkshändige Teilchen nicht auf die gleiche Weise wie rechtshändige Teilchen. Quantenchirale Eichtheorien, wie die SU(2) x U(1)-Eichtheorie, die die elektroschwachen Wechselwirkungen beschreibt, sind ziemlich heikle Tiere. Die meisten klassischen chiralen Eichtheorien können nicht quantisiert werden; Quantenmechanische Effekte führen zu einem Bruch der anomalen Eichsymmetrie, was die Konsistenz der Theorie ruiniert.

Beim Glashow-Weinberg-Salam-Modell gibt es eine Konsistenzbedingung zur Vermeidung von Anomalien: 3 mal die Summe der Ladungen in einem Quark-Dublett + die Summe der Ladungen in einem Lepton-Dublett muss gleich Null sein. Diese Bedingung wird von den Partikeln des Standardmodells erfüllt: 3(2/3 - 1/3) + (0 - 1) = 0. Was uns sagt, dass die Quark- und Lepton-Dubletts in einer Generation wirklich auf nicht triviale Weise gepaart sind . Wenn sie nicht gepaart wären, wäre die Theorie höchstwahrscheinlich inkonsistent.

Hier ist ein weiteres Argument (Haftungsausschluss: Ich bin ein Experimentator):

zB Wikipedia sagt, dass:

Eine "direkte" CP-Verletzung ist im Standardmodell zulässig, wenn eine komplexe Phase in der CKM-Matrix erscheint, die die Quark-Mischung beschreibt, oder in der PMNS-Matrix, die die Neutrino-Mischung beschreibt. In einem solchen Schema ist eine notwendige Bedingung für das Auftreten der komplexen Phase und damit für die CP-Verletzung das Vorhandensein von mindestens drei Generationen von Quarks .

der gleiche Artikel sagt auch weiter unten:

Das Universum besteht hauptsächlich aus Materie und besteht nicht wie erwartet zu gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie. Es kann gezeigt werden, dass, um ein Ungleichgewicht in Materie und Antimaterie aus einem Anfangszustand des Gleichgewichts zu erzeugen, die Sacharow-Bedingungen erfüllt sein müssen , von denen eine die Existenz einer CP-Verletzung während der extremen Bedingungen der ersten Sekunden nach dem Urknall ist . Erklärungen, die keine CP-Verletzung beinhalten, sind weniger plausibel, da sie auf der Annahme beruhen, dass das Materie-Antimaterie-Ungleichgewicht zu Beginn vorhanden war, oder auf anderen zugegebenermaßen exotischen Annahmen.

Der Urknall hätte gleiche Mengen an Materie und Antimaterie produzieren müssen, wenn die CP-Symmetrie erhalten geblieben wäre; als solches hätte es eine vollständige Aufhebung beider geben müssen – Protonen mit Antiprotonen, Elektronen mit Positronen, Neutronen mit Antineutronen und so weiter. Dies hätte ohne Materie ein Meer von Strahlung im Universum zur Folge gehabt.

Mit anderen Worten, wenn es weniger als drei Generationen von Quarks gäbe (es sei denn, der Anfangszustand des Universums hätte eine Materie/Antimaterie-Asymmetrie), gäbe es keine Materie, und wir könnten dieses Thema hier letztendlich nicht diskutieren. ..

Hier ist die Antwort eines Experimentators:

Das Standardmodell der Teilchenphysik ist keine theoretische Erfindung, es ist eine mühsam aufgebaute Zusammenstellung des Quantenzahlverhaltens bei Wechselwirkungen von Elementarteilchen. Es ist also eine experimentelle Tatsache.

Es begann zunächst mit SU(2)-Gruppen, und man stellte fest, dass die Symmetrien zunächst der Baryonennomenklatur für Proton und Neutron in der Kernphysik entsprachen, wodurch theoretische Potentialmodelle für die Kernkraft aufgebaut werden konnten.

Dann kamen die Hochenergieexperimente in Beschleunigern, die eine Fülle von Teilchen mit gut aufgezeichneten Quantenzahlen ergaben, die von Theoretikern unter der Annahme einer SU(3)xSU(2)xU(1)-Symmetrie für die Gruppen organisiert wurden, die alle Symmetrien der Teilchen und den Weg beschreiben sie interagierten miteinander. Auch dies sind gemessene Daten, die die Natur beschreiben.

Diese Gruppensymmetrien haben keine separaten Massen für jedes Teilchen. In der Struktur könnten sie alle Nullmasse haben. Also kamen Theorien auf, die vorschlugen, dass die Symmetrie in den niedrigen Energien zusammenbricht und wenn man zu ausreichend hohen Energien geht, ist alles masselos. Es wurden Theorien entwickelt, um die Symmetrien zu beschreiben und die Daten zu erklären.

Ein Beispiel sind Grand Unified Theories:

Ein GUT-Modell besteht im Wesentlichen aus einer Eichgruppe, die eine kompakte Lie-Gruppe ist, einer Verbindungsform für diese Lie-Gruppe, einer Yang-Mills-Aktion für diese Verbindung, die durch eine invariante symmetrische bilineare Form über ihrer Lie-Algebra (die durch eine Kopplung spezifiziert ist) gegeben ist konstant für jeden Faktor), ein Higgs-Sektor, der aus einer Reihe von skalaren Feldern besteht, die Werte innerhalb reeller/komplexer Darstellungen der Lie-Gruppe annehmen, und aus chiralen Weyl-Fermionen, die Werte innerhalb einer komplexen Darstellung der Lie-Gruppe annehmen. Die Lie-Gruppe enthält die Standardmodell-Gruppe und die Higgs-Felder erwerben VEVs, was zu einem spontanen Symmetriebruch zum Standardmodell führt. Die Weyl-Fermionen repräsentieren Materie.

Neuere Theorien, die das Standardmodell und die Funktionsweise von GUT einbetten, sind Stringtheorien.

Die drei Generationen stammen also aus Quantenzahlenklassifikationen von Daten, und die Theorien, die die Beobachtungen erklären, haben einen spontanen Symmetriebruch bei niedrigen Energien, und die Massen unterscheiden zwischen Generationen durch die Vermittlung des Higgs-Felds.

Ich kann einige spekulative oder unorthodoxe Antworten denken, und sicher können andere dies tun, also gestatten Sie mir bitte, diese Antwort als Community-Wiki zu markieren:

• Drei Generationen ergeben eine schöne Anzahl von Freiheitsgraden für ein GUT-Modell. Unter der Annahme, dass die Neutrinos Begleiter der anderen Chiralität haben, hat eine Generation 36 Freiheitsgrade. Damit hat das MSSM zufällig 128 + 128 Freiheitsgrade, und jedes minimalere SUSY-Modell sollte immer noch mindestens 126 + 126 haben, da die massiven Supermultiplets für Z (und W +, W-) einen skalaren Partner enthalten. Also 96 Squarks und Sleptons plus 8 Gluonen (x2 Zustände) plus elektroschwache ZWW-Bosonen (x 3) plus Photon (x 2) plus drei Skalare = 96+16+9+2+3= 126.

• Handschwenkende Argumente mit Oktonionen gab es schon immer, und laut einer Antwort von Joel in der doppelten Frage könnten sie bereits 1966 gewesen sein! Moderne Arbeiten in dieser Richtung wurden von Cohl Furey http://arxiv.org/abs/1405.4601 durchgeführt

• Die Nicolai-Fortsetzung http://arxiv.org/abs/1412.1715 eines Modells von Gell-mann beinhaltet zwei Techniken, um die Anzahl der Generationen festzulegen: Darstellungen von SO(8) und eine Farb-Geschmack-Verriegelung.

• Frampton schlägt Anomaly Cancellation in einem 331-Modell vor http://arxiv.org/abs/1504.05877