.
Квантовая теория Масса ядра Атомные ядра момент ядра радиоактивность Альфа-распад Бета-распад Гипотеза нейтрино Гамма-излучение Дейтрон Резонансное возбуждение кварки и лептоны частицы и античастицы Космические лучи Распад протонов

Учебные материалы по ядерной физике, курс физика атомного ядра и частиц

Количество поколений фундаментальных фермионов

    В стандартной модели лептоны и кварки группируются в левоспиральные дублеты - поколения. Сегодня известно 3 поколения лептонов и кварков.

1 поколение2 поколение3 поколение
nu1.gif (59 bytes)e
e- мю-tau-
uct
dsb

Известны ли нам все поколения фундаментальных фермионов или их может быть 4, 5 ...?.
    Для оценки количества поколений фундаментальных фермионов можно использовать время жизни Z-бозона.
    Из принципа неопределенности Гейзенберга

deltaEdeltat ~/h

следует - чем короче время существования частицы, тем неопределеннее значение ее энергии. В случае Z-бозонов это означает, что масса каждой отдельной частицы может быть измерена очень точно, но разные частицы будут иметь несколько различающиеся массы, определяемые временем жизни Z-бозона. Поэтому, если построить энергетическое (массовое) распределение Z-бозона, то оно будет иметь вид, представленный на рис. 1. Ширина резонансной кривой отражает неопределенность значения массы Z-бозона, которая непосредственно связана с ее временем жизни.
    Z-бозон имеет много различных мод (каналов) распада, и каждая мода распада уменьшает его время жизни. Образование Z-бозонов проще всего наблюдать на встречных пучках в реакции e+e- аннигиляции

e+e--------->Z.

В теории электрослабого взаимодействия предсказываются следующие значения вкладов различных каналов распада в полную ширину распада Z-бозона.

    Первые эксперименты по точному определению ширины распада Z-бозона были выполнены на Стэнфордском линейном коллайдере (SLAC) и на большом электронно-позитронном коллайдере (LEP) ЦЕРНа. Результаты хорошо согласуются и заключаются в следующем. В "наблюдаемых" ("не нейтринных") событиях в 88% случаев электрон-позитронная аннигиляция приводит к рождению пары кварк - антикварк. Эти события наблюдаются как две струи адронов, направленные в противоположные стороны. В 12% случаев с одинаковой вероятностью (~4%) рождались лептон-антилептонные пары - e+e-, мю+мю-, tau+tau- (e, мю, tau-универсальность). При распаде Z-бозона на e+e-, мю+мю- пары наблюдались два противоположно направленных трека заряженных лептонов (e, мю).Каждая из частиц уносила половину суммарной энергии сталкивающихся пучков. Распады Z-бозона на tau+tau- идентифицировать более сложно. Так как tau-лептоны распадаются на более легкие лептоны или адроны практически в районе мишени. Распады Z-бозона на нейтрино представляли "не наблюдаемые" события. Полное сечение образования Z-бозона sigma.gif (61 bytes)полн(e+e--------->Z) представляет собой сумму сечений трех процессов

sigma.gif (61 bytes)полн(e+e--------->Z) = sigma.gif (61 bytes)полн(e+e--------->Z-------->адроны) + sigma.gif (61 bytes)полн(e+e--------->Z-------->лептоны) +
+ sigma.gif (61 bytes)полн(e+e--------->Z-------->нейтрино).

Рис.1
Рис.1. Резонансная кривая Z-бозона. mZ = 91.188+0.003 ГэВ

Полное сечение образования Z-бозона в e+e- аннигиляции определялось из измерения резонансной кривой при различных энергиях сталкивающихся e+e- пучков в районе резонанса (массы покоя Z-бозона). Из измерения резонансной кривой можно извлечь информацию о положении максимума (массе Z-бозона), ширине резонансной кривой (времени жизни Z-бозона) и величине сечения в максимуме. Ширина резонанса и величина сечения в максимуме напрямую связаны с числом различных типов нейтрино, на которые распадается Z-бозон. При возрастании числа типов нейтрино, т.е. количества поколений, резонансная ширина распада Z-бозона увеличивается, а величина сечения в максимуме уменьшается. Таким образом число типов нейтрино определяется по двум независимым параметрам - величине сечения в максимуме и ширине резонансной кривой e+e- аннигиляции в Z-бозон.
    Из эксперимента была получена следующая оценка числа возможных типов нейтрино n

n = 2.982 + 0.013,

т.е. исчерпывается уже известными типами нейтрино.
    Не вступая в противоречие с этими экспериментальными данными можно говорить о других типах нейтрино только если их масса больше половины массы Z-бозона, т.е. больше 45 ГэВ. Эта возможность маловероятна, учитывая современные ограничения на массы известных типов нейтрино:

m(nu1.gif (59 bytes)e) < 5.1 эВ, m(neutrmu) < 0.27 МэВ, m(neutrtau) < 31 МэВ.

    Таким образом получення оценка числа типов нейтрино n = 3 говорит о том, что количество поколений фундаментальных фермионов равно 3.
    Этот результат согласуется с данными о количестве поколений фундаментальных фермионов независимо полученными из анализа распространенности водорода и гелия во Вселенной. Так как число типов нейтрино вносит существенный вклад в плотность энергии и скорости остывания Вселенной после Большого взрыва, оно определяет соотношение между количеством нейтронов и протонов, образующихся в момент дозвездного нуклеосинтеза и, следовательно, соотношение между количеством ядер 4He и 1H, образующихся в первые минуты эволюции Вселенной. Наблюдаемое соотношение количества изотопов 4He и 1H 4He/1H ~ 0.1 говорит о том, что число легких типов нейтрино может быть два или три и противоречит наличию четырех и более типов нейтрино.


На главную