世代（素粒子物理学）

素粒子物理学 では、世代またはファミリーは素粒子の区分です。世代間では、粒子はフレーバー量子数と質量が異なりますが、電気的相互作用と強い相互作用は同一です。

素粒子物理学の標準モデルによれば、3つの世代がある。各世代には、2種類のレプトンと2種類のクォークが含まれる。2つのレプトンは、電荷が−1（電子型）と中性（ニュートリノ）に分類でき、2つのクォークは、電荷が−1 ⁄ 3（ダウン型）と電荷が+2 ⁄ 3 （アップ型）に分類できる。クォーク-レプトンの世代またはファミリーの基本的な特徴、例えば質量や混合などは、提案されているファミリー対称性のいくつかによって説明できる。

世代が進むにつれて、それぞれの粒子の質量は前の世代の粒子の質量よりも大きくなりますが、ニュートリノは例外です（ニュートリノの質量は小さいですが、正確には決定されていません）。たとえば、第一世​​代の電子の質量はわずか0.511  MeV/ c ²、第二世代のミューオンの質量は106 MeV/ c ²、第3世代タウの質量は1777 MeV/ c ² （陽子のほぼ2倍の重さ）。この質量階層^[1] により、高世代の粒子は第1世代に崩壊し、日常の物質（原子）が第1世代の粒子のみで構成されている理由が説明されます。電子は陽子と中性子でできた原子核を取り囲んでおり、原子核にはアップクォークとダウンクォークが含まれています。第2世代と第3世代の荷電粒子は通常の物質には存在せず、宇宙線や粒子加速器などの極めて高エネルギーの環境でのみ見られます。世代という用語は、1976年のレ・ウーシュ・サマースクールでハイム・ハラリによって初めて導入されました。 ^{[2] [3]}

あらゆる世代のニュートリノは宇宙中を流れているが、他の物質と相互作用することはほとんどありません。^[4] レプトンの世代間の関係を包括的に理解することで、最終的には基本粒子の質量比を説明し、量子的な観点から質量の一般的な性質をさらに明らかにすることができると期待されています。^[5]

第4世代以降の世代は、多くの（しかし全員ではない）理論物理学者によってありそうにないと考えられている。第4世代の可能性に反対する議論の中には、世代が増加することで精密電弱観測量の微妙な変化が引き起こされるという根拠がある。このような変化は測定によって強く否定されている。さらに、第4世代の「軽い」ニュートリノ（質量が約100万分の1未満のもの）は、ニュートリノの質量が約10万分の1未満のものよりも小さい。45 GeV/ c ²）は、欧州原子核研究機構（CERN）の大型電子陽電子衝突型加速器（LEP）におけるZボソンの崩壊幅の測定によって排除されました。 ^[6] それでも、高エネルギー衝突型加速器で第4世代の粒子の探索は続けられていますが、まだ証拠は観測されていません。^[7] このような探索では、第4世代の粒子は第3世代の粒子と同じ記号にプライムを付けて表されます（例：b′およびt′）。

LHCの実験によると、第4世代のクォーク（ b′、t′ ）質量の下限は現在1.4 TeVである。 ^[8]

第4世代ニュートリノ（ ν'τ ）の質量の下限は現在約60 GeV（他の3つのニュートリノ質量の上限より数百万倍大きい）である。_[ ^9]

第4世代荷電レプトン（ τ' ）質量の下限は現在100GeVであり、ユニタリー性を考慮して1.2TeVの上限が提案されている。^[10]

小出の公式が引き続き成立する場合、第 4 世代の荷電レプトンの質量は 44 GeV (除外) となり、b′とt′ はそれぞれ 3.6 TeV と 84 TeV になるはずです。( LHCにおける陽子の最大可能エネルギーは約 6 TeV です。)

フェルミオンの複数世代の起源と、3という特定の数は、物理学の未解決問題です。 弦理論は複数世代の原因を提供しますが、特定の数はD ブレーン交差のコンパクト化の詳細に依存します。さらに、特定のオービフォールド上で 4 _Dまでコンパクト化された10 次元のE8大統一理論には、自然に 3 世代の物質が含まれます。^{[11]これには、多くの}ヘテロティック弦理論モデル が含まれます。

^{標準的な量子場理論では、ある仮定の下では、単一のフェルミオン場が、質量比がおよそeπ≈23およびe2π≈535}である複数のフェルミオン極を生み出す可能性があり、これが連続する世代間のフェルミオン質量^の大きな比とその起源を説明できる可能性がある。^[1]    

正しい構造を持つ正確に3つの世代の存在は、重力との関連を通じて第一原理から少なくとも暫定的に導かれた。^[12]この結果は、ゲージ力がSU(5)に統一されることを意味する。質量に関する問題は未解決であるが、これは理論のヒッグスセクターに関連する論理的に別の問題である。

• 大統一理論
• 小出式
• ニュートリノ質量階層