อ่าน 12 นาที
สูตรโคอิเดะ
สูตร โคอิเดะ เป็น สมการเชิงประจักษ์ ที่ยังไม่มีคำอธิบาย ซึ่งเสนอโดย โยชิโอ โคอิเดะ ( [ko.i.
สูตรโคอิเดะ
สูตรโคอิเดะเป็นสมการเชิงประจักษ์ ที่ยังไม่มีคำอธิบาย ซึ่งเสนอโดยโยชิโอ โคอิเดะ ( [ko.i.de] , koe-ee-day ) ในปี 1981 โดยเชื่อมโยงมวลของอนุภาคเลปตอนที่มีประจุ ได้แก่อิเล็กตรอนมิวออนและเทาในลักษณะดังต่อไปนี้:
ค่าที่แน่นอนของค่านี้ยังคงอยู่ในขอบเขตการทดลอง ณ ปี 2557 [ 1 ] : 64–66
สูตรของโคอิเดะได้รับการพัฒนาขึ้นครั้งแรกโดยอิงจาก แบบจำลอง พรีออนซึ่งทำนายค่าของควาร์กและ มุม CKM ด้วยเช่นกัน อย่างไรก็ตาม การทำนายอื่นๆ เหล่านั้นถูกหักล้างโดยการทดลองแล้วในปัจจุบัน
ต่อมา นักเขียนท่านอื่นๆ ได้ขยายความสัมพันธ์ที่คล้ายคลึงกันนี้ไปยังนิวตริโนควาร์กและอนุภาคตระกูล อื่น ๆ
ภาพรวม
สูตรโคอิเดะมีดังนี้:
มวลของอิเล็กตรอนมิวออนและเทาถูกวัดเป็นm e = ตามลำดับ0.510 998 950 00 (15) MeV/ ค2 ,ม. μ =105.658 3755 (23) MeV/ c 2และ m τ =1 776 .93(09) MeV/ c 2 ; ตัวเลขในวงเล็บคือความไม่แน่นอนในหลักสุดท้าย [ 2 ]ซึ่งให้ Q =0.666 664 46 (508) . [ a ] ซึ่งหมายความว่าการคาดการณ์ของสูตรในปัจจุบันมีความแม่นยำภายในขอบเขตการทดลอง
ปริศนาอยู่ที่ค่าทางกายภาพ ผลลัพธ์ไม่เพียงแต่แปลกประหลาดตรงที่ตัวเลขสามตัวที่ดูเหมือนจะสุ่มมาให้ผลลัพธ์เป็นเศษส่วนง่ายๆ เท่านั้น แต่ยังแปลกประหลาดตรงที่ในกรณีของอิเล็กตรอน มิวออน และเทา ค่าQอยู่กึ่งกลางระหว่างค่าสุดขั้วทั้งสองของชุดค่าผสมที่เป็นไปได้ทั้งหมดพอดี: 1 /3(ถ้ามวลทั้งสามเท่ากัน) และ 1 (ถ้ามวลหนึ่งมีขนาดใหญ่กว่าอีกสองมวลมาก) Qเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติดังนั้นความสัมพันธ์นี้จึงใช้ได้ไม่ว่าหน่วยใดจะถูกใช้ในการแสดงขนาดของมวลก็ตาม
โรเบิร์ต ฟุต ยังตีความสูตรโคอิเดะเป็นความสัมพันธ์ทางเรขาคณิต โดยที่ค่าคือค่าโคไซน์กำลังสองของมุมระหว่างเวกเตอร์และเวกเตอร์[1, 1, 1] (ดูผลคูณดอท ) [ 3 ]มุมนั้นเกือบจะเท่ากับ 45 องศาพอดี: [ 3 ]
เมื่อถือว่าสูตรนี้เป็นจริงอย่างแม่นยำ ( Q = 2/3( ) อาจใช้เพื่อทำนายมวลเทาจากมวลอิเล็กตรอนและมิวออน (ซึ่งทราบอย่างแม่นยำกว่า) การทำนายนั้นคือ m τ =1 776 .969 MeV/ c 2 . [ 4 ]
แม้ว่าสูตรดั้งเดิมจะเกิดขึ้นในบริบทของ แบบจำลอง พรีออนแต่ก็มีการค้นพบวิธีอื่นในการได้มาซึ่งสูตรนี้ (ทั้งโดย Sumino และ Koide – ดูเอกสารอ้างอิงด้านล่าง) อย่างไรก็ตาม โดยรวมแล้ว ความเข้าใจยังคงไม่สมบูรณ์ มีการค้นพบการจับคู่ที่คล้ายกันสำหรับกลุ่มควาร์กสามตัวโดยขึ้นอยู่กับมวลที่เปลี่ยนแปลง[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]ด้วยควาร์กสลับกัน การเชื่อมโยงสมการ Koide สำหรับกลุ่มควาร์กสามตัวที่ต่อเนื่องกัน ทำให้สามารถบรรลุผลลัพธ์ได้173.263 947 (6) GeV/ c 2สำหรับมวลของควาร์กท็อป[ 8 ]
คุณสมบัติทางคณิตศาสตร์
ช่วงที่อนุญาต
เมื่อพิจารณาจำนวนจริงบวกสามจำนวนใดๆ เราจะได้ว่า
ขอบเขตบนเป็นผลมาจากข้อเท็จจริงที่ว่ารากที่สองจะต้องเป็นค่าบวกเสมอ และขอบเขตล่างเป็นผลมาจากอสมการโคชี-บุนยาคอฟสกี-ชวาร์ซค่าโคอิเดะ 2 /3ซึ่งอยู่ตรงกลางของช่วงที่อนุญาตทางคณิตศาสตร์ แต่โปรดทราบว่า หากยกเลิกข้อกำหนดเรื่องรากบวก ก็สามารถใส่ทูเปิลพิเศษลงในภาคควาร์กได้ (ภาคที่มีควาร์กแปลก ควาร์กเสน่ห์ และควาร์กก้นบ่อ)
สมมาตรการเรียงสับเปลี่ยน
ความสัมพันธ์ Koide แสดงสมมาตรการเรียงสับเปลี่ยนระหว่างมวลเลปตอนประจุทั้งสาม, , และ. [ 9 ]ซึ่งหมายความว่าค่าของยังคงไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้การสลับมวลเหล่านี้ เนื่องจากความสัมพันธ์ขึ้นอยู่กับผลรวมของมวลและผลรวมของรากที่สองของมวลเหล่านั้น การเรียงสับเปลี่ยนใดๆ ของ, , และจะทำให้ค่าคงที่: สำหรับการเรียงสับเปลี่ยนใดๆของ.
ความไม่แปรผันตามมาตราส่วน
ความสัมพันธ์ของ Koide นั้นเป็นแบบไม่ขึ้นกับขนาด กล่าวคือ การคูณมวลแต่ละค่าด้วยค่าคงที่ทั่วไปจะไม่ส่งผลต่อค่าของให้สำหรับแล้ว:
ดังนั้น จึงยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อปรับขนาดมวลด้วยตัวประกอบร่วม
ต้นกำเนิด
การพิสูจน์ดั้งเดิม[ 10 ] ตั้งสมมติฐานด้วยเงื่อนไข
จากนั้นจึงได้สูตรดังกล่าว นอกจากนี้ มวลของนิวตริโนและควาร์กดาวน์ถูกตั้งสมมติฐานว่าแปรผันตรงกับในขณะที่มวลของควาร์กอัพถูกตั้งสมมติฐานว่าแปรผันตรงกับ
แบบจำลองที่เผยแพร่[ 11 ]พิสูจน์เงื่อนไขแรกว่าเป็นส่วนหนึ่งของแผนการทำลายสมมาตร และเงื่อนไขที่สองว่าเป็น "ประจุรสชาติ" สำหรับพรีออนในการโต้ตอบที่ทำให้เกิดการทำลายสมมาตรนี้
โปรดทราบว่าในรูปแบบเมทริกซ์ที่มีและสมการจะเป็นเพียงและ
การกำหนดเฟส
สูตรนี้ลดเหลือเพียงสองพารามิเตอร์ โดยทั่วไปมักใช้พารามิเตอร์มาตราส่วนและเฟส เพื่อให้สามารถแสดงมวลทั้งสามที่ตรงกับสูตรโคอิเดะได้ดังนี้
- สำหรับn = 1, 2, 3
สำหรับการอภิปรายเกี่ยวกับเฟส โปรดดู Zenczykowski [ 12 ]
สูตรที่คล้ายกัน
มีสูตรที่คล้ายกันซึ่งเชื่อมโยงมวลอื่นๆ มวลของควาร์กขึ้นอยู่กับมาตราส่วนพลังงานที่ใช้ในการวัด ซึ่งทำให้การวิเคราะห์ซับซ้อนมากขึ้น[ 13 ]
เมื่อนำควาร์กที่หนักที่สุดสามตัวมารวมกัน จะได้เป็นควาร์กชาร์ม (1.275 ± 0.03 GeV/ c 2 ), ด้านล่าง (4.180 ± 0.04 GeV/ c 2 ) และท็อป (173.0 ± 0.40 GeV/ c 2 ) โดยไม่คำนึงถึงความไม่แน่นอน จะได้ค่าที่อ้างถึงโดย F. G. Cao (2012): [ 14 ]
Rodejohann และ Zhang สังเกตเห็นเรื่องนี้ในบทความฉบับร่างปี 2011 ของพวกเขา[ 15 ]แต่การสังเกตนี้ถูกลบออกในฉบับที่ตีพิมพ์[ 5 ]ดังนั้นการกล่าวถึงครั้งแรกที่ตีพิมพ์จึงเกิดขึ้นในปี 2012 โดย Cao [ 14 ]
ความสัมพันธ์
ได้รับการตีพิมพ์เป็นส่วนหนึ่งของการวิเคราะห์ของ Rivero [ 16 ]ซึ่งตั้งข้อสังเกต (เชิงอรรถที่ 3 ในเอกสารอ้างอิง) ว่าการเพิ่มค่ามวลเสน่ห์ทำให้สมการทั้งสองสมการ ทั้งหนักและกลางมีความแม่นยำ
มวลของควาร์กที่เบาที่สุดขึ้นไป (2.2 ± 0.4 MeV/ c 2 ), ลง (4.7 ± 0.3 MeV/ c 2 ) และแปลก (95.0 ± 4.0 MeV/ c² ) โดยไม่ใช้ค่าความไม่แน่นอนจากการทดลอง จะได้ผลลัพธ์ ดังนี้
ค่านี้ยังถูกอ้างถึงโดย Cao ในบทความเดียวกันอีกด้วย[ 14 ]บทความเก่ากว่าH. Harariและคณะ[ 17 ]คำนวณ ค่า ทางทฤษฎีสำหรับควาร์กอัพ ดาวน์ และสเตรนจ์ ซึ่งบังเอิญตรงกับสูตร Koide ในภายหลัง แม้ว่าควาร์กอัพจะไม่มีมวลก็ตาม
นี่อาจถือได้ว่าเป็นการปรากฏตัวครั้งแรกของสูตรประเภทโคอิเดะในเอกสารทางวิชาการ
ความสัมพันธ์ผกผัน
บังเอิญเป็น 2/3 พอดีที่พลังงาน 100 TeV ตาม[ 18 ]และจะอยู่ภายในหนึ่งซิกมาของเศษส่วนที่แน่นอนในการดำเนินการกลุ่มการปรับมาตรฐานทั้งหมดเสมอ
การเคลื่อนที่ของมวลอนุภาค
ในทฤษฎีสนามควอนตัมปริมาณต่างๆ เช่นค่าคงที่การเชื่อมต่อและมวล "วิ่ง" ไปตามระดับพลังงาน[ 19 ] กล่าวคือ ค่าของปริมาณเหล่านี้ขึ้นอยู่กับระดับพลังงานที่การสังเกตเกิดขึ้น ในลักษณะที่อธิบายโดยสมการกลุ่มการปรับมาตรฐาน (RGE) [ 20 ] โดยทั่วไปแล้ว เราคาดหวังว่าความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณดังกล่าวจะเรียบง่ายที่พลังงานสูง (ซึ่งสมมาตร บางอย่าง ไม่ถูกทำลาย ) แต่ไม่ใช่ที่พลังงานต่ำ ซึ่งการไหลของ RG จะทำให้เกิดความเบี่ยงเบนที่ซับซ้อนจากความสัมพันธ์ที่พลังงานสูง ความสัมพันธ์ของ Koide นั้นแม่นยำ (ภายในข้อผิดพลาดในการทดลอง) สำหรับมวลขั้ว ซึ่งเป็นปริมาณพลังงานต่ำที่กำหนดไว้ที่ระดับพลังงานต่างๆ ด้วยเหตุนี้ นักฟิสิกส์หลายคนจึงถือว่าความสัมพันธ์นี้เป็น"ศาสตร์แห่งตัวเลข" [ 21 ]
อย่างไรก็ตาม นักฟิสิกส์ชาวญี่ปุ่นยูกินาริ ซูมิโนะได้เสนอกลไกเพื่ออธิบายที่มาของสเปกตรัมของเลปตอนที่มีประจุ รวมถึงสูตรโคอิเดะ เช่น โดยการสร้างทฤษฎีสนามที่มีประสิทธิภาพด้วยสมมาตรเกจ ใหม่ ที่ทำให้มวลขั้วเป็นไปตามความสัมพันธ์อย่างแม่นยำ[ 22 ] โคอิเดะได้เผยแพร่ความคิดเห็นของเขาเกี่ยวกับแบบจำลองของซูมิโนะ[ 23 ] [ 24 ] วิทยานิพนธ์ปริญญาเอกของฟรองซัวส์ กอฟฟิเนต์ ได้กล่าวถึงมวลขั้วและวิธีการปรับปรุงสูตรโคอิเดะเพื่อหลีกเลี่ยงการใช้รากที่สองสำหรับมวล[ 25 ]
ในฐานะคำตอบของสมการกำลังสาม
สมการกำลังสามมักเกิดขึ้นเมื่อมีการทำลายสมมาตรในการหาค่าสุญญากาศของฮิกส์ และเป็นสิ่งที่เป็นธรรมชาติเมื่อพิจารณาอนุภาคสามรุ่น ซึ่งเกี่ยวข้องกับการหาค่า ลักษณะเฉพาะของเมทริกซ์มวลขนาด 3 × 3
ในตัวอย่างนี้ ให้พิจารณาพหุนามลักษณะเฉพาะ
โดยมีรากฐานที่มั่นคงและสร้างสรรค์
ในการหาความสัมพันธ์ของ Koide ให้กำหนดและพหุนามที่ได้สามารถแยกตัวประกอบได้เป็น
หรือ
พหุนามสมมาตรพื้นฐานของรากจะต้องสร้างสัมประสิทธิ์ที่สอดคล้องกันจากพหุนามที่พวกมันแก้ ดังนั้นและการนำอัตราส่วนของพหุนามสมมาตรเหล่านี้ แต่ยกกำลังสองพหุนามแรกเพื่อให้เราหารค่าพารามิเตอร์ที่ไม่ทราบค่าออกไปเราจะได้สูตรแบบ Koide: โดยไม่คำนึงถึงค่าของคำตอบของสมการกำลังสามสำหรับจะต้องเป็นไปตามเงื่อนไข
ดังนั้น
และ
แปลงกลับเป็น
สำหรับกรณีสัมพัทธภาพ วิทยานิพนธ์ของกอฟฟิเนต์นำเสนอวิธีการที่คล้ายกันในการสร้างพหุนามที่มีเฉพาะกำลังคู่เท่านั้น
กลไกฮิกส์
โคอิเดะเสนอว่าคำอธิบายสำหรับสูตรดังกล่าวอาจเป็นอนุภาคฮิกส์ที่มีประจุรสชาติที่กำหนดโดย:
โดยมีเงื่อนไขมวลของเลปตอนประจุที่กำหนดโดย[ 26 ]ศักยภาพดังกล่าวจะถูกทำให้น้อยที่สุดเมื่อมวลตรงกับสูตร Koide การทำให้น้อยที่สุดไม่ได้ให้มาตราส่วนมวล ซึ่งจะต้องกำหนดโดยเงื่อนไขเพิ่มเติมของศักยภาพ ดังนั้นสูตร Koide อาจบ่งชี้ถึงการมีอยู่ของอนุภาคสเกลาร์เพิ่มเติม นอกเหนือจาก ฮิกส์โบซอนของ แบบ จำลอง มาตรฐาน
อันที่จริง ศักยภาพของฮิกส์แบบหนึ่งก็คือซึ่งเมื่อขยายดีเทอร์มิแนนต์ออกมาในรูปของร่องรอยแล้ว จะสามารถลดรูปได้โดยใช้ความสัมพันธ์ของโคอิเดะ
เชิงอรรถ
- เนื่องจาก ความไม่แน่นอนใน m eและ m μมีค่าน้อยกว่าความไม่แน่นอนใน m τ มาก ความไม่แน่นอนใน Qจึงคำนวณได้ดังนี้
ดูเพิ่มเติม
อ่านเพิ่มเติม
- Koide, Y. (1983). "มุมมองใหม่เกี่ยวกับลำดับชั้นมวลของควาร์กและเลปตอน". Physical Review D. 28 ( 1): 252– 254. Bibcode : 1983PhRvD..28..252K . doi : 10.1103/PhysRevD.28.252 .
- Oneda, S.; Koide, Y. (1991). สมมาตรเชิงอะซิมโทติกและนัยสำคัญของมันในฟิสิกส์อนุภาคพื้นฐาน World Scientific . ISBN 978-981-02-0498-3.
- Koide, Y. (2000). "เมทริกซ์มวลควาร์กและเลปตอนที่มีรูปแบบคงที่ภายใต้การเรียงสับเปลี่ยนแบบวัฏจักร" (PDF) . ฟิสิกส์ . arXiv : hep-ph/0005137 . Bibcode : 2000hep.ph....5137K . เก็บถาวรจากต้นฉบับ(PDF)เมื่อ 2022-10-23 . สืบค้นเมื่อ2021-08-26 .
- Koide, Y. (2005). "ความท้าทายต่อปริศนาของมวลเลปตอนประจุ". arXiv : hep-ph/0506247 .
- Li, N.; Ma, B.-Q. (2006). "ความเป็นอิสระของระดับพลังงานสำหรับมวลของควาร์กและเลปตอน". Physical Review D . 73 (1) 013009. arXiv : hep-ph/0601031 . Bibcode : 2006PhRvD..73a3009L . doi : 10.1103/PhysRevD.73.013009 . S2CID 2624370 .
- Brannen, C. (2010). "ปริพันธ์เส้นทางสปินและรุ่น" (PDF) . พื้นฐานของฟิสิกส์ . 40 (11): 1681– 1699. arXiv : 1006.3114 . Bibcode : 2010FoPh...40.1681B . CiteSeerX 10.1.1.749.3756 . doi : 10.1007/s10701-010-9465-8 . S2CID 11007648 .(โปรดดูลิงก์ อ้างอิงในบทความไปยัง "มวลของเลปตอน" และ "ผลลัพธ์ล่าสุดจากการทดลอง MINOS")
ลิงก์ภายนอก
สื่อที่เกี่ยวข้องกับสูตรโคอิเดะในวิกิมีเดียคอมมอนส์- Wolfram Alphaลิงก์นี้ใช้คำนวณหาค่ามวลเทา ที่คาดการณ์ได้ จากสูตรของ Koide
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ สูตรโคอิเดะ
สูตร โคอิเดะ เป็น สมการเชิงประจักษ์ ที่ยังไม่มีคำอธิบาย ซึ่งเสนอโดย โยชิโอ โคอิเดะ ( [ko.i.
ช่วงที่อนุญาต
เมื่อพิจารณาจำนวนจริงบวกสามจำนวนใดๆ เราจะได้ว่า
สมมาตรการเรียงสับเปลี่ยน
ความสัมพันธ์ Koide แสดงสมมาตรการเรียงสับเปลี่ยนระหว่างมวลเลปตอนประจุทั้งสาม, , และ.
ความไม่แปรผันตามมาตราส่วน
ความสัมพันธ์ของ Koide นั้นเป็น แบบไม่ขึ้นกับขนาด กล่าว คือ การคูณมวลแต่ละค่าด้วยค่าคงที่ทั่วไปจะไม่ส่งผลต่อค่าของให้สำหรับแล้ว: λ {\displaystyle \lambda } คิว {\displaystyle Q} ม ฉัน ′ = λ ม ฉัน {\displaystyle m'_{i}=\lambda m_{i}} ฉัน = อี , μ , τ...