9. Поколения фундаментальных фермионов. Нейтрино.

Уже отмечалось, что фундаментальные фермионы (кварки и лептоны) естественным образом делятся на три поколения по 2 кварка и 2 лептона в каждом (рис.13.8). Каждое следующее поколение является как бы “утяжеленной” копией предыдущего. Вся стабильная материя, т.е практически весь окружающий мир, состоит из частиц первого поколения. Для чего нужны второе и третье поколения пока не ясно. Согласно простейшим теоретическим моделям без них нельзя, например, нарушить CP-инвариантность. Именно нарушение CP-инвариантности на ранних стадиях эволюции Вселенной привело к барионной асимметрии и преобладанию вещества над антивеществом (Лекция 14).

заряд в ед. e
+2/3		u		c		t
-1/3		d		s		b
-1		e^-		^-		^-
0		e				™
		1		2		3

Ðèñ. 13.8.

Разбиение кварков и лептонов по трем поколениям в соответствии с рис.13.8. подтверждается и степенью той связи, которая существует между фермионами внутри одного поколения. Так, лептоны одного поколения имеют сохраняющееся лептонное квантовое число одного типа (L_e, L или L) и поэтому, скажем электрон, всегда будет рождаться в паре с лептоном 1-го поколения - позитроном или электронным антинейтрино. Что касается связи (интенсивности взаимодействия) между кварками то, хотя кварки одного поколения в результате слабых распадов могут переходить в кварки другого поколения, связь между кварками одного поколения наиболее сильна. Чем дальше отстоят поколения друг от друга, тем слабее связь между кварками. Если связь между кварками одного поколения характеризовать коэффициентом 1, то коэффициент связи кварков 1-го и 2-го поколения будет 0.2, а связь кварков 2-го и 3-го поколений характеризуется коэффициентом 0.04. Слабее всего связь между кварками 1-го и 3-го поколений. Она характеризуется коэффициентом 0.002-0.01.

Могут ли существовать другие поколения, содержащие более тяжелые фундаментальные фермионы? Существующие эксперимен-тальные данные о ширине распада Z-бозона и отношении гелия к водороду во Вселенной очень чувствительны к числу нейтринных ароматов (типов нейтрино). Эти данные свидетельствуют о том, что число таких ароматов N (и поколений) равно трем.

Так расчеты ширины распада Z-бозона _z, выполненные в рамках электрослабой модели с учетом лишь трех поколений кварковых и лептонных пар, дают

_z(ò) = 2.496 0.001 ÃýÂ.

При этом каждый нейтринный аромат (добавляя новый канал распада ) вносит в полную ширину распада величину 0.18 ГэВ. Наиболее точное экспериментальное значение_z следующее

_z(ý) = 2.490 0.007 ÃýÂ,

что полностью согласуется с N=3 и исключает возможность существования других поколений фундаментальных фермионов (если не существует тяжелых нейтрино с массами в несколько десятков ГэВ/с²).

Ограничение на число поколений фундаментальных фермионов можно получить из отношения распространенностей гелия и водорода во Вселенной, составляющего по массе около 0.25. Гелий в основном образовался на ранней (дозвездной) стадии эволюции Вселенной и, как показывают детальные расчеты, каждый лишний нейтринный аромат увеличивает долю гелия по массе примерно на 1%. Наблюдаемое отношение гелий/водород ограничивает число нейтринных ароматов значением N<3.5.

В заключение этого раздела подчеркнем, что до сих пор не ясно, имеют ли нейтрино массу. Экспериментальные ограничения на массы различных типов нейтрино следующие: c²<10 ýÂ, c²<0.17 ÌýÂ è c²<18.2 МэВ. Таким образом, не известно, являются ли нейтрино дираковскими (безмассовыми) или майорановыми (т.е. имеющими массу). В Стандартной Модели нейтрино дираковские и у них есть античастицы (антинейтрино). Майорановы нейтрино истинно нейтральны, т.е. являются своими собственными античастицами. В настоящее время ряд экспериментальных групп ведет активный поиск доказательств массивности нейтрино. Осуществляются попытки обнаружить, так называемые, “нейтринные осцилляции” и “безнейтринный двойной -распад”. Не останавливаясь на сути этих опытов, заметим лишь, что обнаружение безнейтринного двойного -распада будет означать, что нейтрино майораново и его масса отлична от нуля. Одновременно это будет означать крушение закона сохранения лептонного заряда, которому пока не удалось сопоставить какой-либо тип симметрии. Все попытки обнаружить упомянутые явления до сих пор не увенчались успехом.