Trois familles de particules

[Deedee81]

Bonjour,

Après avoir fait quelques recherches sur le forum, je suis fort étonné que la question n'ait jamais été soulevée. Quelques recherches sur le net m'ont donné : "soulève d'intenses recherches", mais lesquelles, alors là mystère

Pourquoi y a-t-il trois familles (saveurs) de particules (leptons et baryons) ?

Comment on le sait, ça je sais (évidemment, la mise en évidence des particules et, par exemple, la durée de vie du Z0, la violation CP,...) mais pourquoi ?

Etant donné que le modèle standard ne fixe pas ce nombre mais se borne à le constater. Y a-t-il des hypothèses ? Des indices venant (par exemple) de théories de grande unification, supersymétrie, théorie des cordes, etc... etc... ? Y aurait-il une symétrie cachée là derrière ? Serait-ce des espèces "d'états excités" ? Mais pourquoi limités à 3 alors ?

Bref, je suis très perplexe,
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[Karibou Blanc]

Pourquoi y a-t-il trois familles (saveurs) de particules (leptons et baryons) ?

Nul ne le sait (...encore).

Comment on le sait, ça je sais (évidemment, la mise en évidence des particules et, par exemple, la durée de vie du Z0, la violation CP,...) mais pourquoi ?

Concernant la violation de CP, dans le modele standard celle-ci n'est possible que lorsqu'il y a au moins 3 famillles de quarks. Les annulations des anomalies de jauge implique nécessairement qu'il existe aussi 3 familles de leptons (mais ca on le savait depuis longtemps). Pour moins de trois familles la matrice CKM est réelle et il n'y a pas de violation de CP. Maintenant il est possible qu'il existe une quatrième famille (une 5e, etc...). Néanmoins il y a de fortes contraintes sur les masses. En effet la matrice CKM est mésurée comme pratiquement unitaire, et la présence d'autres fermions via leur couplages au Z induirait des corrections au modeles standard que LEP aurait du observer. Ainsi s'il y a une quatrième famille, elle vit nécessairement à au moins 5-10 TeV.

Y a-t-il des hypothèses ?

Oui, on peut penser que les deux familles les plus lourdes sont des résonnances de la famille la plus légère, comme c'est le cas dans un modèle avec dimension supplémentaire conpacte. Le hic c'est que la taille requise pour cette dimension supplémentaire est beaucoup trop grandes (les résonnances devant être tres légères, ex : le tau cousin de l'électron "pèse" 1.7 GeV, et les rapports de masses entre familles sont très différents, ce qui est difficile de rendre compte dans ce contexte ou toutes les résonnances doivent à peu pres vivre à des échelles qui sont des multiples de 1/R ou R est la taille de la dimension supplémentaire.

de théories de grande unification, supersymétrie, théorie des cordes,

En général dans les GUT, les particules connues d'une famille sont rassemblées dans un meme multiplet. Si bien qu'une GUT n'explique pas le nombre de famille, on introduit autant de multiplets du groupe GUT que de famille du MS à basse énergie.

Idem la supersymétrie introduit un (ou plusieurs) partenaire à chaque particule du MS, et ce peu importe le nombre de famille. On pourrait voir ces partenaires comme des résonnances, mais la supersymétrie contrairement à une dimension supplémentaire, change le spin des partenaires.

La théorie des cordes...disons qu'il y a des tentatives de recherches de solutions de la théorie avec 3 familles. Dans les modèles dit "intersecting brane world", il est possible de trouver des configurations de branes (tres tres tres tordues et à mon sens surréaliste car leurs stabilités et leurs origines ne sont pas étudiées) dont le spectre à l'échelle électrofaible contient 3 familles. Le nombre de familles est alors relié aux nombres de branes et les angles qu'elles forment en s'intersectant...Hélas ces constructions souffrent d'un autre problème le groupe de jauge contient un nombre conséquent de U(1), et de scalaire...

Y aurait-il une symétrie cachée là derrière ?

Il existe un modele qui est une simple extension du MS ou SU(2) faible et remplacé par un SU(3), ce sont les modèles dits 331 pour SU(3)xSU(3)xU(1). Je ne me rappelle plus tres bien des détails, mais il me semble que c'est l'annulation des anomalies de jauges et la liberté asymptotique qui imposent que le nombre de famille soit de 3.

Serait-ce des espèces "d'états excités" ? Mais pourquoi limités à 3 alors ?

cf discussion sur les dimensions supplémentaires.

[Deedee81]

Hej,

Concernant la violation de CP, dans le modele standard celle-ci n'est possible que lorsqu'il y a au moins 3 famillles de quarks. [...]

Oui, j'ai lu un excellent article posté récemment par toi ou Rincevent sur le sujet. Ca a titillé ma curiosité, il est en partie responsable de ce message .

Merci beaucoup pour toutes ces explications.

Je pensais aussi à une idée (beaucoup plus spéculative) sur l'émergence à partir de la gravitation quantique (comme l'espace 4D). Mais c'est peut-être totalement fantaisiste (c'est un peu la technique du "on ne trouve pas, alors ça doit être plus loin" , j'ai un peu trop souvent tendance à raisonner comme ça).

Je vais essayer de jeter un oeil si je trouve quelque chose sur les 331, ça m'intéresse.

Encore merci,

[Deedee81]

Je vais essayer de jeter un oeil si je trouve quelque chose sur les 331, ça m'intéresse.

Oufffffff oui,

J'ai trouvé une tonne d'articles sur le sujet mais aussi sur des tas de modèles dans le style (y compris SU(6) se décomposant en 331, etc... des modèles avec super gravité, du SO(x,y), des champs scalaires dans tous les coins, etc... tous les groupes y passent).

Je n'avais jamais cherché de ce coté là, je suis servis. J'ai le week-end pour me remettre (un tout petit peu) à la page

Merci encore,

Bon et long week end à tous,

[A voir en vidéo sur Futura]

[Karibou Blanc]

Je n'avais jamais cherché de ce coté là, je suis servis. J'ai le week-end pour me remettre (un tout petit peu) à la page

Je ne sais pas si c'est mérite que tu y passes ton week-end. En fait ces modèles introduisent des tas de nouveaux champs, et des symétries qu'il faut briser (donc en ajoutant des scalaires), tout ca pour expliquer pourquoi il y a trois familles. Enfin c'est une question de gout

[BioBen]

Néanmoins il y a de fortes contraintes sur les masses. En effet la matrice CKM est mésurée comme pratiquement unitaire, et la présence d'autres fermions via leur couplages au Z induirait des corrections au modeles standard que LEP aurait du observer. Ainsi s'il y a une quatrième famille, elle vit nécessairement à au moins 5-10 TeV.

Il existe aussi une limite haute au nombre de generations grace au big bang (nucleosynthese) ca dépend des parametres pris mais grosso modo c'est N<4 ou 5 non ?
Autant dire que tout pointe vers 3

Pour moins de trois familles la matrice CKM est réelle et il n'y a pas de violation de CP.

Tu aurais un papier/cours à ce sujet ?

Merci

[Karibou Blanc]

Il existe aussi une limite haute au nombre de generations grace au big bang (nucleosynthese) ca dépend des parametres pris mais grosso modo c'est N<4 ou 5 non ?
Autant dire que tout pointe vers 3

Les mesures du CMB et BBN inférent une limite sur le nombre de types de particules relativistes (autre que le photon, donc essentiellement neutrinos), ce nombre est 4+/-1,.. Mais ce doit etre des particules de types neutrinos (en effet la masse doit etre tres tres faibles pour avoir un caractère relativistes aussi tard dans l'histoire de l'univers). Vu la barre d'erreur cela peut etre 3,4 ou 5. Néanmoins cela ne veut pas dire qu'il existe une ou deux familles entières. En effet c'est seulement si cet autre neutrino est d'hélicité gauche que les anomalies de jauges requierent l'existence d'une famille complete. Si c'est un neutrino droit (tres léger) alors il peut tres bien etre tout seul. Il me semble que la possibilité qu'il existe un 4 neutrino gauche est tres improbable car on l'aurait détecté dans les expériences d'oscillation (mais je peux me tromper). En clair je ne pense pas que la cosmologie puisse apporter des renseignements précis et déterminant sur le nombre de famille. Du moins pas pour le moment.

Tu aurais un papier/cours à ce sujet ?

Merci

C'est développé dans tous les livres de physique des particules, notamment dans le Peskin et Schroeder. La raison est que si tous les quarks ont une masse non nulle, et qu'on prend une matrice de yukawa complexe, à partir de trois famille on ne peut pas éliminer toutes les phases de la matrices CKM en redéfinissant les champs. Pour 3 familles, il en reste une -> violation de CP.

[BioBen]

C'est développé dans tous les livres de physique des particules, notamment dans le Peskin et Schroeder. La raison est que si tous les quarks ont une masse non nulle, et qu'on prend une matrice de yukawa complexe, à partir de trois famille on ne peut pas éliminer toutes les phases de la matrices CKM en redéfinissant les champs. Pour 3 familles, il en reste une -> violation de CP.

Effectivement je n'avais dans la tete que les neutrinos gauches, tu fais bien de préciser.
Merci.

C'est développé dans tous les livres de physique des particules, notamment dans le Peskin et Schroeder. La raison est que si tous les quarks ont une masse non nulle, et qu'on prend une matrice de yukawa complexe, à partir de trois famille on ne peut pas éliminer toutes les phases de la matrices CKM en redéfinissant les champs. Pour 3 familles, il en reste une -> violation de CP.

C'est décidé je ne pose plus jamais de questions au reveil, je l'ai vu dans 2 cours différents. Désolé

[mtheory]

Etant donné que le modèle standard ne fixe pas ce nombre mais se borne à le constater. Y a-t-il des hypothèses ? Des indices venant (par exemple) de théories de grande unification, supersymétrie, théorie des cordes, etc... etc... ? Y aurait-il une symétrie cachée là derrière ? Serait-ce des espèces "d'états excités" ? Mais pourquoi limités à 3 alors ?

Bref, je suis très perplexe,

L'explication est classique en théorie des cordes, c'est directement relié à la topologie des Calabi-Yau et des orbifold.

Mais ce n'est pas une prédiction....la théorie tend à prédire des tas de générations sur les calabi-Yau, une petite fraction...mais qui reste large, ne possède que trois générations de fermions autorisés à ce propager sur les dimensions compactifiées.

[Deedee81]

Bonjour,

Je ne sais pas si c'est mérite que tu y passes ton week-end. En fait ces modèles introduisent des tas de nouveaux champs, et des symétries qu'il faut briser (donc en ajoutant des scalaires), tout ca pour expliquer pourquoi il y a trois familles. Enfin c'est une question de gout

Ca va, je n'y ai pas passé mon week end
(de toute façon pour lire tout ce que j'ai vu "passer", il me faudrait un siècle)

Pour être honnète j'ai en fait potassé l'article posté récemment sur les lagrangiens effectifs et la gravité ainsi qu'un peu de physique nucléaire (modèles de noyau).

L'explication est classique en théorie des cordes, c'est directement relié à la topologie des Calabi-Yau et des orbifold.

Mais ce n'est pas une prédiction....la théorie tend à prédire des tas de générations sur les calabi-Yau, une petite fraction...mais qui reste large, ne possède que trois générations de fermions autorisés à ce propager sur les dimensions compactifiées.

Je connais fort mal la théorie des cordes, donc merci beaucoup pour ces explications.

[Locaterre]

Après avoir fait quelques recherches sur le forum, je suis fort étonné que la question n'ait jamais été soulevée
...
Pourquoi y a-t-il trois familles (saveurs) de particules (leptons et baryons) ?

Bonsoir...

Dans le genre, peut-être :
http://forums.futura-sciences.com/ph...-standard.html

Etant donné que le modèle standard ne fixe pas ce nombre mais se borne à le constater

Pour confirmation, les 3 familles sont non prédites par le MS mais expérimentalement elles ont été détecté, c'est bien cela ?

Merci

[Karibou Blanc]

Dans le genre, peut-être :
Modèle standard

Justement la question était motivée par le fait que le modele standard n'explique pas pourquoi il y a trois familles.

Pour confirmation, les 3 familles sont non prédites par le MS mais expérimentalement elles ont été détecté, c'est bien cela ?

C'est exact. Il faut quand meme nuancer cela. Le Modèle Standard ne pourrait avoir de violation de CP, qui est également observé expérimentalement, s'il ne contenait pas au moins trois familles. Imposer qu'il existe dans le modele standard un mécanisme de violation de CP, c'est "prédire" qu'il existe au moins trois familles de fermions. Evidemment c'est une prédiction assez positiviste car historiquement ca ne s'est pas monté comme cela.

[Locaterre]

Bonjour

Y a-t'il une explication, ou une interrrogation (légitime ), au fait que le quark d (6MeV) est une masse supérieure au quark u (3MeV) alors qu'on a s < c et b < t ?

Merci

[mariposa]

Bonjour

Y a-t'il une explication, ou une interrrogation (légitime ), au fait que le quark d (6MeV) est une masse supérieure au quark u (3MeV) alors qu'on a s < c et b < t ?

Merci

Bonjour,

Je suppose que le sens de ta question est de t'étonner que la hierarchie des masses des quarks dans chaque famille n'est pas en correspondance avec les charges.

Cela est peut-être due au fait que masse d'un quarks est celle d'une masse m° en absence de charges + une masse d'auto-énergie du au couplage électromagnétique.

Si on suppose que la variation de masse est supérieure pour les quarks de charge -1/3 (donc d,s,b) par rapport aux charges 2/3 (donc u,c,t) le fait que les masses "nues" de c et t soient très supérieures à leurs cousines (contrairement à u et d qui sont voisines)alos on peut expliquer ce qui apparait comme une inversion.

Ceci est une tentative d'explication.

[invite8ef897e4]

Cela est peut-être due au fait que masse d'un quarks est celle d'une masse m° en absence de charges + une masse d'auto-énergie du au couplage électromagnétique.

Interessant, je n'avais vu cette interpretation.
cf eq (16) de la RPP, quark masses

[Locaterre]

Je suppose que le sens de ta question est de t'étonner que la hierarchie des masses des quarks dans chaque famille n'est pas en correspondance avec les charges.

Oui, c'est cela, pour, disons, l' "homogénéité" du tableau, j'aurais attendu u > d (en gardant u < c)...

...contrairement à u et d qui sont voisines)

grosso modo, en terme de masse, on a d = 2u... par vraiment voisin en terme de valeurs relatives. Certes c =13s et t=41b...
...

...alors on peut expliquer ce qui apparait comme une inversion.

Inversion... oui, je dois être un peu obtu... mais si on peut expliquer ce qui apparaît par une inversion, peut-on expliquer cette inversion ?

Merci

[mariposa]

Interessant, je n'avais vu cette interpretation.
cf eq (16) de la RPP, quark masses

Cette question me rappelle une autre que j'avais soulevé:

http://forums.futura-sciences.com/ph...e-neutron.html

Le but était de démontrer que la dégénerescence d'isospin (proton-neutron) était due aux différences de masses de up et down et non pas à l'interaction électromagnétique comme souvent indiqué dans les livres au sujet de l'isospin.

Donc ton article me rassure sur ce point.

Par contre cet article, en ignorant la contribution électromagnétique montre que QCD toute seule explique la différence de masse et la contribution électromagnétique ne changera pas grand chose. Donc mon explication ne tiend pas quantitativement.

Je serais tenter de dire à Locaterre alors que ce "défaut" d'ordre est fortuit. Sauf erreur de ma part il y avait une chance sur 2 qu'il y ait une inversion dans un couple quelconque relativement aux 2 autres.

[Locaterre]

Je serais tenter de dire à Locaterre alors que ce "défaut" d'ordre est fortuit. ...

Donc, voir du côté du Hasard... ou de la Necessité
Je trouve cela un peu... strange... voir pas top