Perché i muoni sono considerati particelle elementari nel modello standard?

Question

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Secondo questo articolo, un muone decade in un elettrone e due neutrini.

Secondo questo articolo, le particelle elementari o fondamentali sono particelle "la cui sottostruttura è sconosciuta, quindi non è noto se sia composta da altre particelle". Ho anche visto da qualche parte che è una particella che non può essere ridotta in altre particelle costituenti.

Anche se forse non è una cosa sicura, sembra che il decadimento indichi che il muone potrebbe essere solo una particella composta, forse composta da un elettrone e due neutrini?

Sulla base di ciò, perché il muone si adatta alla definizione di cui sopra di particella elementare o fondamentale?

Mi rendo conto che ci siano ragioni storiche molto più complicate sul motivo per cui è stato incluso nel Modello Standard, ma questa domanda è solo correlata, quindi come si adatta (o non si adatta) alla definizione sopra riportata.

Mi sembra che possiamo davvero ottenere solide prove di elementare e composito solo quando rompiamo le particelle insieme e vediamo cosa ne esce e lo confrontiamo con tutte le masse, energie e quantità di moto prima e dopo? Finché non lo faremo con i muoni, come possiamo saperlo con molta certezza?

E forse avremo una risposta migliore con un collisore Muon: http://en.wikipedia.org/wiki/Muon_collider/ http://map.fnal.gov/

A quel punto, sembra che gli elettroni potrebbero non essere fondamentali dopo tutto: https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160404111559.htm

Answer 1

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Il fatto che una particella decada in altre particelle è completamente disgiunto da essa avendo una sottostruttura / essendo fondamentale o composto.

Alcuni esempi: un fotone altamente energetico può "decadere" in un elettrone e un positrone in presenza di un altro oggetto che prende la quantità di moto in eccesso. Ciò non significa che un fotone sia un composto di elettrone e positrone. Un neutrone libero decade in un protone, un elettrone e un anti-neutrino elettronico con una durata media di 10 minuti, ma è uno stato composto di tre quark .

Essere costituito da altre particelle significa essere uno stato legato di queste particelle. I processi teorici dei campi quantistici non hanno problemi a trasformare un tipo di particelle in altri tipi di particelle (soggetti a certe regole, ovviamente), ma questo tipo di processo non implica che i risultati costituiscano effettivamente l'input. In nessun modo significativo un fotone è uno stato legato di elettrone e positrone, in nessun modo un neutrone è uno stato legato di protone ed elettrone, e in nessun modo significativo è un muone uno stato legato di un elettrone e neutrini.

Answer 2

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Affrontare le idee sbagliate

In primo luogo, affronterò alcune idee sbagliate nella tua domanda.

il decadimento indica che il muone potrebbe essere solo una particella composta

Il fatto che il muone decade in tutto non è una prova che sia composto. Si è tentati di dire che se una particella $ A $ può decadere in $ B $ e $ C $ , quindi deve essere "composto da" $ B $ e $ C $ . Tuttavia, questo non funziona, perché quasi tutte le particelle hanno più canali di decadimento. Ad esempio, l'idrogeno nello stato $ 2s $ può rilasciare un fotone per passare allo stato $ 1s $ , ma può anche farlo raramente rilasciando due fotoni. Come esempio più estremo, il parapositronium può annichilirsi completamente, trasformandosi in due fotoni, ma può anche trasformarsi in quattro .

Pensiamo al decadimento delle particelle in termini di accoppiamenti di campi quantistici tra loro: un'eccitazione in un campo può decadere in eccitazioni in altri. Come disse Feynman, quelle emozioni finali non esistono "dentro" l'originale, non più di quanto la parola "gatto" rimbalzi dentro di te perché puoi spendere energia per dirlo.

A quel punto, sembra che gli elettroni potrebbero non essere fondamentali dopo tutto: https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160404111559.htm

Questo articolo riguarda alcuni dei modi strani in cui grandi raccolte di elettroni nei solidi possono comportarsi collettivamente, ma non è correlato al fatto che gli elettroni stessi siano o meno composti. È importante tenerlo presente quando si leggono i comunicati stampa, perché le persone che studiano cosa fanno gli elettroni nei solidi sfortunatamente tendono a dare ai fenomeni risultanti gli stessi nomi delle particelle che cerchiamo nei collisori, portando a molta confusione popolare.

Rispondere alla domanda

Con questo in mente, hai ancora ragione, nel senso che è del tutto naturale pensare che il muone possa essere composto. Se fossi uno scienziato negli anni '50, ad esempio, il muone sarebbe solo un'altra particella scoperta insieme a uno zoo di mesoni e adroni. Oggi sappiamo che tutti quei mesoni e adroni si sono rivelati composti di quark. Allora perché non pensare al muone anche come composito?

In effetti, nei primi tempi, la somiglianza del muone e dell'elettrone era considerata una possibile prova che il muone era uno stato eccitato dell'elettrone, proprio come il $ 2s $ state è uno stato eccitato dell'idrogeno. Se così fosse, ci si aspetterebbe che il muone decada spesso emettendo un fotone, $ \ mu \ to e \ gamma $ , ma questo è stato trovato non è così. Invece, dominano i decadimenti che coinvolgono i neutrini.

Ora potresti chiederti, perché il muone non può essere un composto dell'elettrone legato ad alcuni neutrini? Questa idea non funziona perché non esiste una forza di cui sappiamo che avrebbe funzionato: anche negli anni '50 si sapeva che i neutrini interagivano in modo estremamente debole. È meno probabile che un neutrino interagisca con un elettrone a tutto che vincere alla lotteria, quindi sembra estremamente improbabile che sia possibile unirli contemporaneamente.

Un'altra difficoltà di qualsiasi teoria del muone composito è spiegare il fattore g del muone, che determina il suo momento magnetico. Ci si aspetta che le particelle elementari abbiano $ g \ approx 2 $ . Il protone composito e il neutrone violano questo con un buon margine, $$ g_p \ approx 5.59, \ quad g_n \ approx -3.82 $$ mentre l'elettrone e il muone hanno $$ g_e \ approx 2.002, \ quad g_ \ mu \ approx 2.002. $$ Anche questo $ 0,002 $ non è una prova di compositività, perché è esattamente ciò che ti aspetteresti da una particella perfettamente elementare, una volta inclusi gli effetti teorici del campo quantistico. In effetti, i fattori $ g $ di elettroni e muoni sono stati misurati con cifre molto più decimali di quelle che ho mostrato e i risultati corrispondono alla previsione del modello standard precisione. Fare l'elettrone e il muone composito senza sconvolgere questo accordo sembrerebbe richiedere un modello seriamente congegnato o un miracolo.

Una meta-difficoltà

Queste sono già grandi difficoltà, ma se immagini di essere uno scienziato negli anni '50, il modello a quark aveva i suoi problemi (come la totale non osservabilità dei singoli quark), ma guadagnava sostegno grazie alla sua capacità di spiegare enormi numero di adroni e prevederne di nuovi. E oggi, le persone considerano le teorie in cui il bosone di Higgs è composto, perché aiuta a dargli una massa appropriata.

La meta-difficoltà per il muone è che vale la pena provare a renderlo composito solo se c'è qualche ricompensa che ti aspetti, come (1) il completamento di un'immagine teorica, (2) nuove previsioni o (3) modi per calcolare quantità (come la massa del muone) che altrimenti dovremmo prendere come input.

La prima ragione non si applica, perché il muone ha già un posto perfettamente buono nel Modello Standard: deve esserci a causa della struttura familiare della teoria, e questa struttura è abbastanza rigida che senza il muone, il modello standard sarebbe matematicamente incoerente a causa di anomalie di gauge.

Anche il secondo motivo non si applica. Non è come se avessimo una serie di strane particelle in giro che potrebbero essere spiegate come ulteriori composti dell'elettrone. E poiché abbiamo misurato le proprietà del muone con una precisione squisita, quasi tutte le teorie sulla composizione del muone faranno "previsioni" che sappiamo già essere sbagliate! Devi lavorare molto duramente solo per evitarlo. (Certo, il muone $ g $ -factor sembra deviare un po 'dal valore previsto, e questo riceve attenzione - è solo che la compositività non è il tipo di cosa che aiuterebbe qui.)

Il terzo motivo potrebbe essere potenzialmente applicabile. Tuttavia, spiegare le masse di particelle come l'elettrone e il muone è un problema notoriamente difficile, anche se non le prendi come composte. Certamente, le teste girerebbero se si inventasse una semplice teoria che desse il rapporto di massa muone-elettrone a molte cifre decimali, ma decenni di tentativi falliti lo hanno reso improbabile.

Se si ignorassero queste ragioni e si realizzasse un modello artificioso in cui il muone era composto, sintonizzando tutte le costanti coinvolte esattamente sui valori necessari per nascondere tutte le deviazioni dal modello standard, allora "funzionerebbe" ... ma sarebbe anche scientificamente inutile.

Naturalmente, è anche del tutto possibile che i muoni possano rivelarsi non elementari, perché nella scienza è impossibile provare mai un negativo!Al momento, questa possibilità non è oggetto di indagini attive.Ma non è neanche un'eresia.Se in futuro apparissero risultati sperimentali sufficientemente strani, gli scienziati potrebbero tornare subito ad armeggiare con elettroni e muoni compositi, facendo del loro meglio per comprendere i risultati e l'universo.

Answer 3

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Il posto migliore per cercare prove che il decadimento non è uguale alla compositività è nella creazione delle particelle. Perché se il decadimento significasse compositività, la creazione richiederebbe che tu riunissi i costituenti.

Quando colpisci insieme due nucleoni a un'energia abbastanza alta, ottieni un sacco di spazzatura che esce. Parte di quella spazzatura è costituita da coppie di particelle leptoniche-antiparticelle, e molte di esse derivano da interazioni come $$ q + \ bar {q} \ to l ^ - + l ^ + \,. $$ Questo processo è chiamato "Drell-Yan". I leptoni possono essere elettroni, muoni o tauoni. Ottenere muoni è sperimentalmente molto utile, quindi questo processo viene talvolta utilizzato come sonda della struttura del mare del nucleone. (Quando metti protoni su protoni, gli anti-quark devono provenire dal mare poiché il contenuto di valenza è tutto quark.)

Se hai una macchina elettrone-positrone ad alta energia (cioè l'SLC o LEP disattivato) puoi anche fare $$ e ^ - + e ^ + \ to l ^ - + l ^ + \ ,, $$ con una matematica simile.

Ora, a energie molto superiori a $ 2 m_ \ mu c ^ 2 $ , la velocità per la produzione di coppie di elettroni e quella per la produzione di coppie di muoni è la stessa , che non sarebbe il caso se uno fosse elementare e l'altro composto (se i muoni fossero composti la possibilità di avere i bit giusti presenti contribuirebbe alla velocità di produzione quindi la velocità sarebbe inferiore). Inoltre il tasso è in accordo con le predizioni ab initio da QED per leptoni fondamentali. Prendiamo un momento per ricordare che QED offre il miglior accordo singolo tra teoria ed esperimento in fisica (g-2 dell'elettrone).

Inoltre ci sono molte altre interessanti previsioni dalla QED sui muoni (per esempio il muone g-2 che è un abbinamento teoria-esperimento quasi altrettanto buono di quello per gli elettroni).

Answer 4

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Questa è la tabella delle particelle elementari del modello standard della fisica delle particelle.

Tieni presente che non è solo il muone a decadere, ma anche la tau e la Z, la W e Higgs.

Sono chiamati elementari perché sono gli elementi costitutivi del Modello Standard; costruire tutte le altre particelle e controllare le interazioni nel micromondo in cui la meccanica quantistica è necessaria per calcolare e prevedere il comportamento delle particelle, utilizzando il modello standard.

I decadimenti non sono un'indicazione unica dell'esistenza di una sottostruttura. La sottostruttura viene studiata in esperimenti di scattering dotati delle funzioni del modello standard. Le particelle elementari nella tabella sono chiamate particelle puntiformi perché non hanno sottostruttura come ipotesi del modello, e il modello è continuamente convalidato, cioè non è stato falsificato. Come mostra il diagramma fornito da @Statics, c'è un vertice punto nel debole decadimento del muone (come anche del tau e dello Z e del W). Tutte le particelle nella tabella sono considerate particelle puntiformi quando interagiscono. Nessuno spazio per i componenti.

Le teorie sulle stringhe mirano a estendere il modello standard, descrivere le particelle elementari come stringhe, ma questo è oggetto di ricerca e ancora non ci sono costituenti nella rappresentazione di stringa di una particella.

Addition dopo un ulteriore richiamo.

Come è stata stabilita la compositività del nucleo degli atomi? Dal famoso esperimento di Rutherford che ha mostrato una profonda dispersione anelastica.

Gli stessi esperimenti di scattering a energie più elevate hanno mostrato una dispersione anelastica profonda nei protoni, stabilendo l'esistenza di quark e gluoni.

In generale, gli esperimenti di dispersione hanno stabilito i fattori di forma dei bersagli, la "forma" nello spazio e lo spazio energia / quantità di moto dei bersagli, vedere la figura 11 qui. Che il protone e il neutrone non fossero particelle puntiformi era stato stabilito molto prima della scoperta del contenuto dei quark e Feynman aveva proposto il suo modello di partoni per modellare i dati. Gli esperimenti hanno mostrato deviazioni dal modello parton che ha stabilito la dispersione dura sui centri di dispersione mediante i cosiddetti dati p_t elevati.

Nessuna struttura di questo tipo è apparsa per l'elettrone entro l'intervallo di energia dei nostri esperimenti, la sua dimensione è pari a entro $ 10 ^ {- 18} $ span> metri e la sua forma sferica con grande precisione..

Le simmetrie nel modello standard della fisica vengono quindi utilizzate per porre una struttura puntiforme per le particelle elementari nella tabella. Al momento il successo del modello standard nella descrizione dei dati sperimentali non lascia spazio alla compositività delle particelle elementari. Se esiste, occorre raggiungere energie molto più elevate nei nostri esperimenti per scoprirlo.

Answer 5

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Il muone non è una particella composita.Il fatto che possa decadere è correlato a un'interazione debole, essendo possibile a causa dell'esistenza di $ W / Z $ -bosons. Il muone può decadere in neutrino ed elettrone poiché la sua massa a riposo è maggiore di quella di un elettrone.Poiché non esiste un altro leptone carico con una massa inferiore a quella di un elettrone, l'elettrone non può decadere in nulla da solo.

Da tutte le migliaia di esperimenti, sappiamo che un muone ha più o meno le stesse proprietà di un elettrone e può quindi essere considerato un leptone.Lepton non sono particelle composite di nulla, non legano insieme neutrini ed elettroni.Non esiste una forza nota che possa descrivere tali associazioni.