En física de partículas , una generación o familia es una división de las partículas elementales . Entre generaciones, las partículas difieren en su número cuántico de sabor y masa , pero sus interacciones eléctricas y fuertes son idénticas.
Según el Modelo Estándar de física de partículas, existen tres generaciones . Cada generación contiene dos tipos de leptones y dos tipos de quarks . Los dos leptones pueden clasificarse en uno con carga eléctrica −1 (similar a un electrón) y neutro (neutrino); los dos quarks pueden clasificarse en uno con carga − 1 ⁄ 3 (tipo down) y uno con carga + 2 ⁄ 3 (tipo up). Las características básicas de la generación o familias de quarks-leptones, como sus masas y mezclas, etc., pueden describirse mediante algunas de las simetrías familiares propuestas .
Cada miembro de una generación superior tiene una masa mayor que la partícula correspondiente de la generación anterior, con la posible excepción de los neutrinos (cuyas masas pequeñas pero distintas de cero no se han determinado con precisión). Por ejemplo, el electrón de primera generación tiene una masa de sólo0,511 MeV/ c 2 , el muón de segunda generación tiene una masa de106 MeV/ c 2 , y la tau de tercera generación tiene una masa de1777 MeV/ c 2 (casi el doble de pesado que un protón ). Esta jerarquía de masas [1] hace que las partículas de generaciones superiores se desintegren en la primera generación, lo que explica por qué la materia cotidiana ( átomos ) está formada únicamente por partículas de la primera generación. Los electrones rodean un núcleo formado por protones y neutrones , que contienen quarks up y down. La segunda y tercera generaciones de partículas cargadas no se dan en la materia normal y solo se ven en entornos de energía extremadamente alta, como los rayos cósmicos o los aceleradores de partículas . El término generación fue introducido por primera vez por Haim Harari en la Escuela de verano de Les Houches , 1976. [2] [3]
Los neutrinos de todas las generaciones circulan por el universo, pero rara vez interactúan con otra materia. [4] Se espera que una comprensión integral de la relación entre las generaciones de leptones pueda eventualmente explicar la relación de masas de las partículas fundamentales y arrojar más luz sobre la naturaleza de la masa en general, desde una perspectiva cuántica. [5]
Muchos físicos teóricos (pero no todos) consideran improbable la existencia de una cuarta generación y de generaciones posteriores. Algunos argumentos contra la posibilidad de una cuarta generación se basan en las sutiles modificaciones de los observables electrodébiles de precisión que inducirían las generaciones adicionales; dichas modificaciones son fuertemente desfavorecidas por las mediciones. Además, una cuarta generación con un neutrino "ligero" (uno con una masa menor a aproximadamente45 GeV/ c 2 ) ha sido descartada por mediciones de los anchos de desintegración del bosón Z en el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) del CERN . [6] No obstante, las búsquedas en colisionadores de alta energía de partículas de cuarta generación continúan, pero hasta ahora no se ha observado ninguna evidencia. [7] En dichas búsquedas, las partículas de cuarta generación se denotan con los mismos símbolos que las de tercera generación con una prima agregada (por ejemplo, b′ y t′ ).
El límite inferior para una cuarta generación de masas de quarks ( b′ , t′ ) está actualmente en 1,4 TeV según los experimentos realizados en el LHC. [8]
El límite inferior para la masa de un neutrino de cuarta generación ( ν' τ ) actualmente es de aproximadamente 60 GeV (millones de veces más grande que el límite superior para las otras 3 masas de neutrinos). [9]
El límite inferior para la masa de un leptón cargado de cuarta generación ( τ' ) es actualmente 100 GeV y el límite superior propuesto es 1,2 TeV a partir de consideraciones de unitaridad. [10]
Si la fórmula de Koide sigue siendo válida, las masas del leptón cargado de cuarta generación serían 44 GeV (descartado) y b′ y t′ deberían ser 3,6 TeV y 84 TeV respectivamente. (La máxima energía posible para los protones en el LHC es de unos 6 TeV).
El origen de múltiples generaciones de fermiones, y el recuento particular de 3 , es un problema no resuelto de la física . La teoría de cuerdas proporciona una causa para múltiples generaciones, pero el número particular depende de los detalles de la compactificación de las intersecciones de D-brana . Además, las teorías de gran unificación E 8 en 10 dimensiones compactificadas en ciertos orbifolds hasta 4 D contienen naturalmente 3 generaciones de materia. [11] Esto incluye muchos modelos de teoría de cuerdas heterótica .
En la teoría cuántica de campos estándar, bajo ciertas suposiciones, un solo campo de fermiones puede dar lugar a múltiples polos de fermiones con relaciones de masas de alrededor de e π ≈ 23 y e 2 π ≈ 535, lo que potencialmente explica las grandes relaciones de masas de fermiones entre generaciones sucesivas y su origen. [1]
La existencia de exactamente tres generaciones con la estructura correcta se dedujo al menos tentativamente a partir de los primeros principios a través de una conexión con la gravedad. [12] El resultado implica una unificación de las fuerzas de calibre en SU(5) . La cuestión relativa a las masas no está resuelta, pero se trata de una cuestión lógicamente separada, relacionada con el sector de Higgs de la teoría.
RESUMEN
: Revisamos los límites experimentales actuales sobre las masas de los neutrinos de Majorana de cuarta generación, incluidos los efectos de los neutrinos diestros. Los límites actuales de LEP‑II se alteran significativamente mediante un análisis global. Demostramos que los límites actuales de los neutrinos de cuarta generación que se desintegran en
e W
y
μ W
se pueden reducir a aproximadamente 80 GeV (desde el límite actual de 90 GeV), mientras que un neutrino que se desintegra en
τ W
puede ser tan ligero como 62,1 GeV. El límite debilitado abre un canal de desintegración de neutrinos para el bosón de Higgs de masa intermedia y estados finales multipartícula interesantes para las desintegraciones del bosón
de Higgs
y de leptones de cuarta generación.