Почему верхний кварк легче нижнего, а верхний тяжелее нижнего?

В стандартной модели массы кварков пропорциональны их связи с полем Хиггса; но величины этих связей (называемых связями Юкавы) необъяснимы.

Теория, которая выходит за рамки стандартной модели, объясняя, почему значения юкавских взаимодействий такие, какие они есть, может объяснить, почему наклон масс кварков отличается в первом поколении по сравнению с двумя другими поколениями.

Например, в некоторых «вакуа» теории струн юкава зависит от площади поверхности, которую должны пересечь струны кварков, чтобы взаимодействовать со струной Хиггса — по мере увеличения площади пересечения юкава будет экспоненциально меньше. Расстояния и площади, в свою очередь, зависят от покоящейся конфигурации дополнительных измерений и любых бран, которые они могут содержать.

Подобная модель может дать объяснение, например, с точки зрения того, как различные браны устроены в состоянии покоя. Хотя на практике эти геометрические равновесия в настоящее время не могут быть рассчитаны с сколько-нибудь необходимыми подробностями, и считается успехом, если удается просто показать, что один кварк (топ-кварк) будет намного тяжелее остальных.

Пока все это домыслы. Даже если верить, что теория струн определенно является теорией всего, приходится признать, что она охватывает огромное множество возможностей, и мы совершенно не знаем, какая из них соответствует нашему миру.

За прошедшие годы я видел одну или две теории массы, в которых наклон первого поколения имел четкое и конкретное объяснение. Я свяжу их здесь, если смогу найти их снова.

Мы понятия не имеем. В Стандартной модели нет объяснения, она просто есть. Предпринимались спекулятивные попытки объяснить такую ​​структуру, но у меня сложилось впечатление, что они в основном сосредоточены на объяснении того, почему каждая семья намного тяжелее предыдущей, а не на небольших различиях внутри каждой семьи.

В пределах первого семейства вы можете дать некоторое антропное «объяснение». Поскольку верхний кварк легче нижнего, протон ($uud$) легче нейтрона ($udd$). Это означает, что изолированные протоны стабильны, в то время как изолированные нейтроны будут распадаться через

$$n \to p + e^- + \bar{\nu}_e.$$ Обратите внимание, что нейтроны в атомах не распадаются из-за стабилизирующего эффекта остальной части ядра.

С другой стороны, если массы$u$и$d$поменялись местами, то протон был бы тяжелее, а водород был бы неустойчив к реакции

$$p + e^- \to n + \nu_e$$ Поскольку почти вся наша Вселенная состоит из водорода, у нас останется вселенная, состоящая в основном из нейтронов, слишком мягкая для поддержания химии и, следовательно, жизни.

Если вам понравилось это объяснение, прочтите статью «Почему вселенная именно такая» . Если нет, присоединяйтесь к клубу!