¿Por qué el quark up es más liviano que el quark down, mientras que top es más pesado que bottom?

En el modelo estándar, las masas de los quarks son proporcionales a su acoplamiento con el campo de Higgs; pero las magnitudes de esos acoplamientos (llamados acoplamientos yukawa) no se explican.

Una teoría que va más allá del modelo estándar, al explicar por qué los valores de los acoplamientos de yukawa son los que son, tiene el potencial de explicar por qué la inclinación de las masas de los quarks es diferente en la primera generación, en comparación con las otras dos generaciones.

Por ejemplo, en algunos "vacíos" de la teoría de cuerdas, los yukawas dependen del área de superficie que las cuerdas de quarks tienen que cruzar para interactuar con la cuerda de Higgs: a medida que aumenta el área a cruzar, el yukawa será exponencialmente más pequeño. Las distancias y áreas a su vez dependen de la configuración en reposo de las dimensiones extras, y de las branas que puedan contener.

Un modelo como ese tiene el potencial de ofrecer una explicación, por ejemplo, en términos de cómo se organizan las distintas branas cuando están en reposo. Aunque en la práctica, estos equilibrios geométricos no se pueden calcular actualmente con el detalle necesario, y se considera un éxito si se puede demostrar que un quark (el quark top) será mucho más pesado que el resto.

Por ahora todo esto son especulaciones. Incluso si uno cree que la teoría de cuerdas es definitivamente la teoría de todo, hay que admitir que abarca muchísimas posibilidades, y no sabemos en absoluto cuál de ellas corresponde a nuestro mundo.

A lo largo de los años, he visto una o dos teorías de la masa en las que la inclinación de la primera generación tenía una explicación clara y específica. Los vincularé aquí si puedo encontrarlos de nuevo.

No tenemos absolutamente ninguna idea. Dentro del Modelo Estándar no hay explicación, simplemente es. Ha habido intentos especulativos de explicar este tipo de estructura, pero mi impresión es que se centran principalmente en explicar por qué cada familia es mucho más pesada que la anterior, no en las pequeñas diferencias dentro de cada familia.

Dentro de la primera familia, puede proporcionar alguna "explicación" antrópica. Como el quark up es más ligero que el quark down, el protón ($uud$) es más ligero que el neutrón ($udd$). Eso significa que los protones aislados son estables, mientras que los neutrones aislados se desintegrarán, a través de

$$n \to p + e^- + \bar{\nu}_e.$$ Tenga en cuenta que los neutrones en los átomos no se descomponen debido al efecto estabilizador del resto del núcleo.

Por otro lado, si las masas de$u$y$d$se intercambiaron, entonces el protón sería más pesado y el hidrógeno sería inestable frente a la reacción

$$p + e^- \to n + \nu_e$$ Dado que casi todo nuestro universo está hecho de hidrógeno, nos quedaría un universo de neutrones en su mayoría, demasiado soso para sostener la química y, por lo tanto, la vida.

Si te gustó esta explicación, consulta el artículo Por qué el universo es así para obtener más información. Si no lo hiciste, ¡únete al club!