Domanda:
Perché i muoni sono considerati particelle elementari nel modello standard?
Brad Cooper - Purpose Nation
2016-08-17 17:52:47 UTC
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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

I commenti non sono per discussioni estese;questa conversazione è stata [spostata in chat] (http://chat.stackexchange.com/rooms/44229/discussion-on-question-by-purposenation-why-are-muons-considered-to-be-elementa).
Ho annullato la tua domanda;per favore non aggiungere nuove domande o commenti modificando.Le modifiche sono generalmente pensate per chiarire la domanda originale.
L'articolo del collisore di muoni è stato spostato su: https://en.wikipedia.org/wiki/Muon_collider
Cinque risposte:
#1
+60
ACuriousMind
2016-08-17 18:00:08 UTC
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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.

l'esempio del fotone sembra essere un caso diverso, dove un bosone colpisce o interagisce con molte altre particelle e transizioni in altre particelle rispetto a un puro "decadimento" senza interazioni da altre particelle esterne.Nell'esempio del neutrone, sembra essere solo un altro caso di un composto che decade in costituenti?Con il tuo "stato vincolato", sembra che tu stia introducendo una nuova definizione di "elementare" diversa da quella a cui si fa riferimento.Se la definizione di "elementare" a cui si fa riferimento è sbagliata, va bene.Ma la maggior parte non penserebbe allo "stato legato delle particelle" per definire "costituente"
@PurposeNation: Non sto "introducendo una nuova definizione", vi assicuro che questo è ciò che ogni fisico intende quando parla di "costituenti" o "sottostruttura".Sebbene quest'ultimo potrebbe essere un po 'più debole, ad es.momenti magnetici inaspettati o qualcosa del genere possono anche essere accenni a sottostrutture senza rivelare alcun costituente.
@PurposeNation Un neutrone * non * è composto da un protone e un elettrone.Sappiamo che è composto da tre quark.Proprio come un protone è composto da tre quark.Un decadimento delle particelle non è la stessa cosa della fissione nucleare.Non è semplicemente il caso che una particella si scomponga in pezzi più piccoli.Spesso puoi scoprire che la massa del risultato è molto maggiore della massa della particella iniziale.È più come se un decadimento distrugge una particella e mette l'energia in uno stato particellare più stabile (di solito)
@ACouriousMind: Inoltre sembra che l'articolo di wikipedia sui neutroni liberi introduca un'altra definizione di particella composita vs. particella elementare: "La dimensione finita del neutrone e il suo momento magnetico indicano che il neutrone è una particella composita, piuttosto che elementare".La dimensione della particella e il suo momento magnetico definiscono la natura elementare rispetto a quella composita?Se è così, sembra che la prima definizione di Wikipedia abbia davvero bisogno di molti ulteriori chiarimenti?
@Jim come sappiamo che un protone è composto da tre quark e che questi sono elementari?Capisco che con Lattice QCD, un protone potrebbe essere composto da miliardi di quark virtuali e anti-quark, solo che ci sono tre quark "di valenza".E non abbiamo mai isolato i quark, quindi come possono essere sicuri quelli elementari se non li abbiamo mai isolati?
@PurposeNation Cerchiamo la sottostruttura disperdendo altre particelle fuori dal bersaglio.Gli "schemi di dispersione" (per così dire) possono essere usati per determinare se c'è qualcosa all'interno.Questo viene fatto sempre in cristallografia: disperdere i raggi X da un solido e dedurre dalla dispersione la disposizione degli atomi nel solido.La dispersione che coinvolge i muoni indica l'assenza di sottostruttura.La dispersione dei neutroni indica tre entità interne simili (quark), non due entità dissimili (elettrone e protone).
Non credo che questa risposta sia soddisfacente come potrebbe essere.In pratica stai solo ripetendo ciò che consideriamo composto nel modello standard ora.Questo non dice all'OP _ perché_ abbiamo concluso che quelle particelle erano composite, il che è essenziale per sapere perché non abbiamo concluso che i muoni sono compositi.
I modelli per il decadimento del quark indicano che, in un neutrone, un quark _only_ (un quark down) perde energia, emessa dal decadimento debole come un bosone W (diventando un quark up).L'energia emessa confina spontaneamente, per formare un elettrone negativo e un neutrino.Così il neutrone sta perdendo carica negativa.Invece di essere elettricamente neutro come prima (1 quark up e 2 down) si è caricato positivamente (2 quark up e 1 down), cioè è diventato un protone.Secondo la teoria, questo è uno stato più stabile.Purtroppo, lo scattering non è efficace per sondare all'interno dei quark l'evidenza della loro struttura ...
#2
+48
knzhou
2016-08-18 00:52:51 UTC
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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.

"non abbiamo indicazioni di una quinta forza ora" - http://phys.org/news/2016-08-physicists-discovery-nature.html
@JanDvorak Quella presunta forza non è collegata a questa domanda, però.Non legherebbe i neutrini agli elettroni.
Questa è l'unica risposta che fornisce le ragioni effettive della scelta, piuttosto che dire che "è vero perché l'Autorità dice che è vero".
@JanDvorak il tempismo di quel quinto articolo di forza dell'UCI non avrebbe potuto essere migliore.Ora sappiamo, è il bosone X protofobo che lega i neutrini all'elettrone all'interno di un muone!=)
@MartinKochanski è d'accordo.ecco perché l'ho scelta come risposta migliore, anche se apprezzo tutte le altre risposte dettagliate che forniscono ulteriore contesto.
@knzhou ringrazia, apprezzo che tu abbia tradotto in un linguaggio semplice i criteri di alto livello che potremmo utilizzare per valutare la "fondatezza" di una particella e se soddisfa una definizione di "elementare" e / o l'inclusione nel Modello Standard.Forse le autorità del modello standard pubblicherebbero una panoramica dei criteri simile che i laici come me capirebbero =)
Mi piace questa risposta ma, che dire della vecchia deviazione del momento di dipolo magnetico anomalo del muone dalle previsioni SM.Secondo quello che ho imparato fino ad ora, la domanda se una particella è puntiforme o meno può essere risolta in base al suo comportamento del fattore di forma e l'AMDM dei fermioni è molto ben collegato al secondo fattore di forma di una corrente EM perun fermione. https://en.wikipedia.org/wiki/Anomalous_magnetic_dipole_moment
#3
+25
dmckee --- ex-moderator kitten
2016-08-17 21:35:36 UTC
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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).

#4
+15
anna v
2016-08-17 18:30:38 UTC
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Questa è la tabella delle particelle elementari del modello standard della fisica delle particelle.

elempart

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.

#5
+8
Statics
2016-08-17 18:03:04 UTC
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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. Decay of muon into an electron and a neutrino 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.

Come sappiamo che non è costituito da particelle costituenti?Come sappiamo che non è una particella composita?
@PurposeNation Forse * questa * è la domanda che avresti dovuto fare: come facciamo a sapere che la * dimensione * del muone è piccola e quella degli adroni è grande (fermis)?La risposta, ovviamente, è [fattori di forma] https://en.wikipedia.org/wiki/Form_factor_(quantum_field_theory).Sperimentalmente, puoi stabilire limiti alla dimensione delle particelle attraverso lo studio dei loro fattori di forma, e la dimensione dei leptoni è sempre più piccola di qualsiasi scala esaminata finora, ma la dimensione degli adroni è grande quanto un marshmallow di dimensioni fermi- sono morbidi e soffici.Un buon testo QFT lo spiega.


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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