التوليد (فيزياء الجسيمات)

في فيزياء الجسيمات ، يُمثل الجيل أو العائلة تقسيمًا للجسيمات الأولية . وبين الأجيال، تختلف الجسيمات في عدد الكم الخاص بنكهتها وكتلتها ، لكن تفاعلاتها الكهربائية والقوية متطابقة.

يوجد ثلاثة أجيال وفقًا للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات. يحتوي كل جيل على نوعين من اللبتونات ونوعين من الكواركات . يمكن تصنيف اللبتونات إلى نوع ذي شحنة كهربائية -1 (شبيه بالإلكترون) ونوع متعادل (نيوترينو)؛ ويمكن تصنيف الكواركات إلى نوع ذي شحنة -1/3 (من النوع السفلي ) ونوع ذي شحنة +2/3 ( من النوع العلوي). يمكن وصف الخصائص الأساسية لأجيال أو عائلات الكواركات واللبتونات، مثل كتلها ونسب مزجها، من خلال بعض تناظرات العائلة المقترحة .

لكل جسيم من جيل أعلى كتلة أكبر من الجسيم المقابل له في الجيل السابق، باستثناء النيوترينوات ( التي لم تُحدد كتلتها بدقة ، وهي صغيرة ولكنها غير صفرية ). على سبيل المثال، تبلغ كتلة الإلكترون من الجيل الأول 10 ... تبلغ كتلة الميون من الجيل الثاني 0.511 ميغا إلكترون ^فولت / ثانية²تبلغ كتلته 106  ميغا إلكترون فولت/ ^ثانية² ، ويبلغ وزن جسيم تاو من الجيل الثالث 106 ميغا إلكترون فولت/ثانية² ، وكتلة جسيم تاو من الجيل الثالث 106 ميغا إلكترون فولت/ثانية².تبلغ كتلة جسيم الإلكترون 1777 ميغا إلكترون فولت  / ^ثانية² (أي ما يقارب ضعف كتلة البروتون ). يؤدي هذا التدرج الكتلي ^{[ 1 ]} إلى تحلل جسيمات الأجيال الأعلى إلى الجيل الأول، مما يفسر سبب كون المادة اليومية ( الذرات ) مكونة من جسيمات من الجيل الأول فقط. تحيط الإلكترونات بنواة تتكون من بروتونات ونيوترونات ، تحتوي بدورها على كواركات علوية وسفلية. لا توجد جسيمات الجيلين الثاني والثالث المشحونة في المادة العادية ، وإنما تُرى فقط في بيئات ذات طاقة عالية للغاية مثل الأشعة الكونية أو مسرعات الجسيمات . وقد استخدم مصطلح " الجيل" لأول مرة من قبل حاييم هاراري في مدرسة ليه هوش الصيفية عام 1976. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

تتدفق النيوترينوات من جميع الأجيال عبر الكون، لكنها نادرًا ما تتفاعل مع المادة الأخرى. ^{[ 4 ]} ويُؤمل أن يُسهم فهمٌ شاملٌ للعلاقة بين أجيال اللبتونات في تفسير نسبة كتل الجسيمات الأساسية، وإلقاء مزيد من الضوء على طبيعة الكتلة عمومًا، من منظور الكم. ^{[ 5 ]}

يعتبر العديد من الفيزيائيين النظريين (وليس جميعهم) أن الأجيال الرابعة وما بعدها غير مرجحة. وتستند بعض الحجج ضد إمكانية وجود جيل رابع إلى التعديلات الطفيفة التي قد تُحدثها الأجيال الإضافية على متغيرات التفاعل الكهروضعيف الدقيقة ؛ وهذه التعديلات غير مرغوب فيها بشدة في القياسات. توجد دوال تُستخدم لتعميم مصطلحات إدخال كوارك جديد، وهو كوارك أحادي النظير، ومسؤول عن توليد تيارات محايدة مُغيرة للنكهة (FCNC) عند مستوى الشجرة في قطاعات التفاعل الكهروضعيف. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

مع ذلك، تستمر عمليات البحث في مصادمات الطاقة العالية ^{[ 8 ]} عن جسيمات من الجيل الرابع، ولكن لم يُرصد أي دليل حتى الآن. في هذه العمليات، يُرمز لجسيمات الجيل الرابع بنفس رموز جسيمات الجيل الثالث مع إضافة علامة الفتحة (مثل b′ و t′ ).

جيل رابع ذو نيوترينو "خفيف" (كتلة أقل من حوالي تم استبعاد كتلة 45 جيجا إلكترون ^فولت / c² من خلال قياسات عرض اضمحلال بوزون Z في مصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير (LEP) التابع لسيرن في وقت مبكر من عام 1989. ^{[ 9 ]} وكان الحد الأدنى لكتلة نيوترينو الجيل الرابع ( ν'τ ₎ في عام 2010 حوالي 60 جيجا إلكترون فولت (أكبر بملايين المرات من الحد الأعلى لكتل ​​النيوترينوات الثلاثة الأخرى). ^{[ 10 ]} وحتى عام 2024، لم يُرصد أي دليل على وجود نيوترينو من الجيل الرابع في دراسات تذبذب النيوترينو . لأنه حتى في نيوترينو الجيل الثالث (تاو) ν _τ ، تكون الكتلة صغيرة للغاية (مما يجعل ν _τ الجسيم الوحيد من الجيل الثالث الذي لن يتحلل بسهولة خارج الظروف عالية الطاقة)، ​​فإن نيوترينو الجيل الرابع ν' _τ الذي يلتزم بالقواعد العامة لأجيال النيوترينو الثلاثة المعروفة يجب أن يكون ضمن مستويات طاقة مسرعات الجسيمات الحالية، وأن يحدث أثناء عملية التبديل المنتظمة والمتوقعة للغاية بين الأجيال (التذبذب) التي تقوم بها النيوترينوات.  

إذا استمرت معادلة كويدي في صحتها، فإن كتلة الليبتون المشحون من الجيل الرابع ستكون 44  جيجا إلكترون فولت (مستبعدة)، وستكون كتلة b′ و t′  3.6 تيرا إلكترون فولت و 84  تيرا إلكترون فولت على التوالي (الحد الأقصى للطاقة الممكنة للبروتونات في مصادم الهادرونات الكبير حوالي 6  تيرا إلكترون فولت). وكان الحد الأدنى لكتلة الكواركات من الجيل الرابع ( b′ ، t′ ) في عام 2019 هو 1.4  تيرا إلكترون فولت استنادًا إلى تجارب مصادم الهادرونات الكبير. ^{[ 11 ]} أما الحد الأدنى لكتلة الليبتون المشحون من الجيل الرابع ( τ′ ) في عام 2012 فكان 100  جيجا إلكترون فولت، مع حد أعلى مقترح قدره 1.2  تيرا إلكترون فولت بناءً على اعتبارات الوحدة. ^{[ 12 ]}

يُعدّ أصل الأجيال المتعددة من الفرميونات، وتحديدًا العدد 3 ، مسألةً فيزيائيةً لم تُحلّ بعد . تُقدّم نظرية الأوتار تفسيرًا لوجود هذه الأجيال المتعددة، لكنّ العدد الدقيق يعتمد على تفاصيل ضغط تقاطعات الأغشية D. إضافةً إلى ذلك، فإنّ نظريات التوحيد الكبرى E8 في 10 _أبعاد ، المضغوطة على بعض الفضاءات المدارية وصولًا إلى 4 أبعاد، تحتوي بطبيعتها على 3 أجيال من المادة. ^{[ 13 ]} ويشمل ذلك العديد من نماذج نظرية الأوتار غير المتجانسة .   

في نظرية الحقل الكمومي القياسية، وبافتراضات معينة، يمكن لحقل فرميوني واحد أن يُنتج أقطاب فرميونية متعددة بنسب كتل تقارب e ^π ≈ 23 و e ^{2 π} ≈ 535، مما قد يفسر النسب الكبيرة لكتل ​​الفرميونات بين الأجيال المتعاقبة وأصلها. ^{[ 1 ]}

تم استنتاج وجود ثلاثة أجيال بالضبط ذات بنية صحيحة، على الأقل مبدئيًا، من المبادئ الأساسية من خلال ربطها بالجاذبية. ^{[ 14 ]} تشير هذه النتيجة إلى توحيد قوى القياس في SU(5) . يبقى السؤال المتعلق بالكتل دون حل، ولكنه سؤال منفصل منطقيًا، ويرتبط بقطاع هيغز في النظرية.

• نظرية التوحيد الكبرى
• صيغة كويدي
• التسلسل الهرمي لكتلة النيوترينو