¿Origen de las generaciones de leptones/quarks?

No tenemos una buena explicación de por qué los quarks y los leptones se dividen en generaciones. Pero tenemos algunos argumentos muy sólidos de que tiene que ser así, debido a la forma en que se comportan las interacciones débiles.

Primero, las interacciones débiles nos dicen que cada leptón debe emparejarse con un neutrino, y que cada quark de carga 2/3 debe emparejarse con un quark de carga -1/3. Este emparejamiento es necesario solo para escribir el Lagrangiano para las interacciones débiles.

El segundo bit es aún más extraño. Las interacciones débiles son quirales; no tratan las partículas levógiras de la misma manera que tratan las partículas levógiras. Las teorías de calibre quiral cuántico, como la teoría de calibre SU(2) x U(1) que describe las interacciones electrodébiles, son bestias un tanto delicadas. La mayoría de las teorías clásicas de calibre quiral no se pueden cuantificar; los efectos de la mecánica cuántica dan lugar a una ruptura anómala de la simetría de calibre, lo que arruina la consistencia de la teoría.

En el caso del modelo Glashow-Weinberg-Salam, existe una condición de consistencia para evitar anomalías: 3 veces la suma de las cargas en un doblete de quarks + la suma de las cargas en un doblete de leptones debe ser igual a cero. Esta condición es satisfecha por las partículas del Modelo Estándar: 3(2/3 - 1/3) + (0 - 1) = 0. Lo que nos dice que los dobletes de quarks y leptones en una generación realmente están emparejados de una manera no trivial . Si no estuvieran emparejados, lo más probable es que la teoría fuera inconsistente.

aquí hay otro argumento (descargo de responsabilidad: soy un experimentalista):

por ejemplo , Wikipedia establece que:

La violación CP "directa" está permitida en el modelo estándar si aparece una fase compleja en la matriz CKM que describe la mezcla de quarks, o la matriz PMNS que describe la mezcla de neutrinos. En tal esquema, una condición necesaria para la aparición de la fase compleja, y por lo tanto para la violación de CP , es la presencia de al menos tres generaciones de quarks .

el mismo artículo también dice más abajo:

El universo está hecho principalmente de materia, en lugar de consistir en partes iguales de materia y antimateria como podría esperarse. Se puede demostrar que, para crear un desequilibrio en materia y antimateria a partir de una condición inicial de equilibrio, se deben cumplir las condiciones de Sakharov , una de las cuales es la existencia de violación de CP durante las condiciones extremas de los primeros segundos posteriores al Big Bang . Las explicaciones que no implican la violación de CP son menos plausibles, ya que se basan en la suposición de que el desequilibrio entre materia y antimateria estaba presente al principio, o en otras suposiciones reconocidamente exóticas.

El Big Bang debería haber producido cantidades iguales de materia y antimateria si se hubiera conservado la simetría CP; como tal, debería haber habido una cancelación total de ambos: los protones deberían haberse cancelado con los antiprotones, los electrones con los positrones, los neutrones con los antineutrones, y así sucesivamente. Esto habría resultado en un mar de radiación en el universo sin materia.

En otras palabras, si hubiera menos de tres generaciones de quarks (a menos que el estado inicial del universo tuviera una asimetría de materia/antimateria), no habría materia y, en última instancia, no podríamos discutir este tema aquí. ..

Aquí está la respuesta de un experimentador:

El modelo estándar de la física de partículas no es una invención teórica, es una compilación laboriosamente construida del comportamiento de los números cuánticos en las interacciones de las partículas elementales. Así que es un hecho experimental.

Primero comenzó con grupos SU(2) y se encontró que las simetrías se ajustaban a la nomenclatura de bariones para protones y neutrones en física nuclear, lo que permitía construir modelos de potencial teórico para la fuerza nuclear.

Luego vinieron los experimentos de alta energía en aceleradores que dieron una plétora de partículas con números cuánticos bien registrados organizados por los teóricos al asumir la simetría SU(3)xSU(2)xU(1) para los grupos que describen todas las simetrías de las partículas y la forma interactuaron entre sí. Nuevamente, estos son datos medidos, que describen la Naturaleza.

Estas simetrías de grupo no tienen masas separadas para cada partícula. En la estructura todos podrían tener masa cero. Entonces surgieron teorías que proponían que hay una ruptura de simetría en las energías bajas y si uno va a energías lo suficientemente altas, todo carece de masa. Las teorías evolucionaron para describir las simetrías y explicar los datos.

Un ejemplo son las Grandes Teorías Unificadas:

Un modelo GUT consiste básicamente en un grupo calibre que es un grupo de Lie compacto, una forma de conexión para ese grupo de Lie, una acción de Yang-Mills para esa conexión dada por una forma bilineal simétrica invariante sobre su álgebra de Lie (que se especifica mediante un acoplamiento constante para cada factor), un sector de Higgs que consta de una serie de campos escalares que toman valores dentro de representaciones reales/complejas del grupo de Lie y fermiones quirales de Weyl que toman valores dentro de una representación compleja del grupo de Lie. El grupo de Lie contiene el grupo del modelo estándar y los campos de Higgs adquieren VEV que conducen a una ruptura espontánea de la simetría del modelo estándar. Los fermiones de Weyl representan la materia.

Las teorías recientes que incorporan el modelo estándar y el funcionamiento de GUT son las teorías de cuerdas.

Entonces, las tres generaciones provienen de clasificaciones de números cuánticos de datos y las teorías que explican las observaciones tienen una ruptura de simetría espontánea a bajas energías, y las masas se diferencian entre generaciones por la mediación del campo de Higgs.

Puedo pensar en algunas respuestas especulativas o poco ortodoxas, y seguro que otros pueden hacerlo, así que permítanme marcar esta respuesta como Community Wiki:

• tres generaciones hacen un buen número de grados de libertad para un modelo GUT. Suponiendo que los neutrinos tengan compañeros de la otra quiralidad, una generación tiene 36 grados de libertad. Con esto, el MSSM tiene 128+128 grados de libertad, y cualquier modelo SUSY más mínimo aún debería tener al menos 126+126, porque los supermultipletes masivos para Z (y W+, W-) contienen un compañero escalar. Así, 96 squarks y sleptones más 8 gluones (x2 estados) más bosones electrodébiles ZWW (x 3) más fotones (x 2) más tres escalares = 96+16+9+2+3= 126.

• Los argumentos de agitar las manos con octoniones siempre han existido, y según una respuesta de Joel en la pregunta duplicada , ¡podrían haber sido ya en 1966! El trabajo moderno en esta línea ha sido realizado por Cohl Furey http://arxiv.org/abs/1405.4601

• Nicolai continuación http://arxiv.org/abs/1412.1715 de un modelo de Gell-mann involucra dos técnicas para fijar el número de generaciones: representaciones de SO(8) y un bloqueo de color-sabor.

• Frampton sugiere la cancelación de anomalías en un modelo 331 http://arxiv.org/abs/1504.05877