To, że cząstka rozpada się na inne cząstki, jest całkowicie odłączone od tego, że ma podstrukturę / jest fundamentalne lub złożone.

Kilka przykładów: wysokoenergetyczny foton może „rozpaść się” na elektron i pozyton w obecności innego obiektu, który przejmuje nadmierny pęd. Nie oznacza to, że foton jest połączeniem elektronu i pozytonu. wolny neutron rozpada się na proton, elektron i antyneutrino elektronowe ze średnim czasem życia 10 minut, ale jest to stan złożony trzech kwarków .

Bycie utworzonym z innych cząstek oznacza bycie stanem związanym tych cząstek. Procesy teorii pola kwantowego nie mają problemu z przekształceniem jednego rodzaju cząstek w inne rodzaje cząstek (oczywiście podlegających pewnym regułom), ale ten rodzaj procesu nie oznacza, że ​​wyniki faktycznie stanowiły dane wejściowe. W żaden znaczący sposób foton nie jest związanym stanem elektronu i pozytonu, w żaden znaczący sposób neutron nie jest związanym stanem protonu i elektronu, a mion nie jest w żaden znaczący sposób związanym stanem elektronu i neutrin.

Rozwiązywanie nieporozumień

Najpierw odniosę się do niektórych błędnych przekonań w Twoim pytaniu.

rozpad wskazuje, że mion może być tylko cząstką złożoną

Fakt, że mion rozpada się w całości nie jest dowodem na to, że jest złożony. Kuszące jest stwierdzenie, że jeśli cząstka $ A $ może rozpaść się na $ B $ i $ C $ , to musi być „wykonany z„ $ B $ i C $ C $ . Jednak to nie działa, ponieważ prawie wszystkie cząstki mają wiele kanałów rozpadu. Na przykład wodór w stanie $ 2s $ może uwolnić foton, aby przejść do stanu $ 1s $ , ale rzadko może to zrobić, uwalniając dwa fotony. Jako bardziej skrajny przykład, parapositronium może całkowicie unicestwić, zamieniając się w dwa fotony, ale może też zamienić się w cztery .

Myślimy o rozpadzie cząstek w kategoriach sprzężeń pól kwantowych ze sobą: wzbudzenie w jednym polu może przekształcić się w wzbudzenie w innym. Jak ujął to Feynman, te ostatnie podniecenia nie istnieją „wewnątrz” pierwotnego, tak samo jak słowo „kot” odbija się w tobie, ponieważ możesz poświęcić energię, aby to powiedzieć.

Do tego momentu wydaje się, że elektrony mogą wcale nie być fundamentalne: https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160404111559.htm

Ten artykuł dotyczy niektórych dziwnych sposobów, w jakie duże zbiory elektronów w ciałach stałych mogą zbiorowo zachowywać się, ale nie jest to związane z tym, czy same elektrony są złożone. Warto o tym pamiętać czytając komunikaty prasowe, ponieważ ludzie, którzy badają, jakie elektrony w ciałach stałych niestety mają tendencję do nadawania wynikowym zjawiskom takich samych nazw, jak cząstki, których szukamy w zderzaczach, co prowadzi do wielu powszechnych nieporozumień.

Odpowiadanie na pytanie

Mając to na uwadze, nadal masz rację, w tym sensie, że myślenie, że mion może być złożony, jest całkowicie naturalne. Na przykład, gdybyś był naukowcem w latach pięćdziesiątych XX wieku, mion byłby jeszcze jedną odkrytą cząstką wraz z ogrodem zoologicznym mezonów i hadronów. Dziś wiemy, że wszystkie te mezony i hadrony okazały się być kompozytami kwarków. Dlaczego więc nie pomyśleć o mionie również jako złożonym?

Rzeczywiście, we wczesnych latach podobieństwo mionu i elektronu uznawano za możliwy dowód, że mion był wzbudzonym stanem elektronu, podobnie jak $ 2s $ stan jest wzbudzonym stanem wodoru. Gdyby tak było, można by oczekiwać, że mion będzie często rozpadał się, emitując foton, $ \ mu \ to e \ gamma $ , ale znaleziono to nie ma miejsca. Zamiast tego dominują rozpady z udziałem neutrin.

Teraz możesz zapytać, dlaczego mion nie może być kompozytem elektronu związanego z niektórymi neutrinami? Ten pomysł nie działa, ponieważ nie ma siły, o której wiemy, że spełniłaby to zadanie: nawet w latach pięćdziesiątych było wiadomo, że neutrina oddziałują niezwykle słabo. Zmuszenie neutrina do interakcji z elektronem w wszystkim jest mniej prawdopodobne niż wygranie na loterii, więc wydaje się niezwykle nieprawdopodobne, aby jednocześnie można było je połączyć.

Inną trudnością związaną z każdą złożoną teorią mionów jest wyjaśnienie współczynnika g mionu, który określa jego moment magnetyczny. Oczekuje się, że cząstki elementarne będą miały $ g \ około 2 $ . Złożony proton i neutron naruszają to z dużym marginesem, $$ g_p \ około 5,59, \ quad g_n \ około -3,82 $$ podczas gdy elektron i mion mają $$ g_e \ approx 2.002, \ quad g_ \ mu \ ok. 2.002. $$ To 0,002 $ również nie jest dowodem na złożoność, ponieważ jest to dokładnie to, czego można by się spodziewać po idealnie elementarnej cząstce, gdy uwzględni się kwantowe efekty teoretyczne pola. W rzeczywistości, elektrony i miony $ g $ -czynniki zostały zmierzone z dużo większą liczbą miejsc po przecinku niż pokazałem, a wyniki są zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego. precyzja. Wydaje się, że wykonanie kompozytu elektronu i mionu bez naruszania tej umowy wymagałoby poważnie wymyślonego modelu lub cudu.

Meta-trudność

To już są duże trudności, ale jeśli wyobrażasz sobie bycie naukowcem w latach pięćdziesiątych XX wieku, model kwarków miał swoje własne problemy (takie jak całkowita nieobserwowalność poszczególnych kwarków), ale zyskał poparcie ze względu na jego zdolność do wyjaśnienia liczbę hadronów i przewidzieć nowe. Dzisiaj ludzie rozważają teorie, w których bozon Higgsa jest złożony, ponieważ pomaga nadać mu odpowiednią masę.

Meta-trudność dla mionu polega na tym, że warto spróbować go złożyć tylko wtedy, gdy spodziewasz się jakiejś korzyści, takiej jak (1) ukończenie teoretycznego obrazu, (2) nowe prognozy lub (3) sposoby do obliczenia wielkości (takich jak masa mionów), które w innym przypadku musielibyśmy przyjąć jako dane wejściowe.

Pierwszy powód nie ma zastosowania, ponieważ mion ma już doskonałe miejsce w Modelu Standardowym: musi tam być ze względu na rodzinną strukturę teorii, a ta struktura jest na tyle sztywna, że ​​bez mionu, Model Standardowy byłby matematycznie niespójny z powodu anomalii mierników.

Drugi powód też nie ma zastosowania. To nie tak, że mamy wokół siebie szereg dziwnych cząstek, które można by wytłumaczyć jako kolejne kompozyty elektronu. A ponieważ zmierzyliśmy właściwości mionu z niezwykłą precyzją, prawie każda teoria składu mionów będzie zawierała „przewidywania”, o których już wiemy, że są błędne! Aby tego uniknąć, musisz bardzo ciężko pracować. (Trzeba przyznać, że mion $ g $ -factor wydaje się nieco odbiegać od przewidywanej wartości i zwraca na to uwagę - po prostu złożoność nie jest coś, co by tu pomogło.)

Trzeci powód może mieć zastosowanie. Jednak wyjaśnienie mas cząstek, takich jak elektron i mion, jest niesławnie trudnym problemem, nawet jeśli nie traktujesz je jako złożone. Oczywiście, głowy by się odwróciły, gdybyś wymyślił prostą teorię, która podaje stosunek masy mionu do elektronu do wielu miejsc po przecinku, ale dekady nieudanych prób sprawiły, że wydaje się to mało prawdopodobne.

Jeśli po prostu zignorujesz te powody i stworzysz wymyślony model, w którym mion był złożony, dostrajając wszystkie zaangażowane stałe do dokładnie wartości potrzebnych do ukrycia wszystkich odchyleń od Modelu Standardowego, to zadziałałoby ... ale byłoby to również bezużyteczne naukowo.

Oczywiście jest również całkowicie możliwe, że miony mogą okazać się nieelementarne, ponieważ w nauce niemożliwe jest udowodnienie negatywu!W tej chwili taka możliwość nie jest przedmiotem aktywnego badania.Ale to też nie jest herezja.Gdyby w przyszłości pojawiły się wystarczająco dziwne wyniki eksperymentów, naukowcy mogliby od razu zacząć majstrować przy złożonych elektronach i mionach, starając się jak najlepiej zrozumieć wyniki i wszechświat.

Najlepszym miejscem do poszukiwania dowodów na to, że rozpad nie jest równoznaczny z kompozycją, jest tworzenie cząstek. Ponieważ jeśli rozpad oznaczałby złożoność, wtedy tworzenie wymagałoby zebrania składników razem.

Kiedy zderzasz ze sobą dwa nukleony z odpowiednio dużą energią, wydostaje się dużo śmieci. Niektóre z tych śmieci to pary cząstka leptonowa-antycząstka, a wiele z nich powstaje w wyniku interakcji takich jak $$ q + \ bar {q} \ to l ^ - + l ^ + \,. $$ Ten proces nazywa się „Drell-Yan”. Leptonami mogą być elektrony, miony lub tauony. Uzyskanie mionów jest bardzo przydatne eksperymentalnie, więc proces ten jest czasami używany jako sonda do budowy morza nukleonów. (Kiedy umieszczasz protony na protonach, antykwarki muszą pochodzić z morza, ponieważ cała zawartość walencyjna to kwark).

Jeśli masz maszynę elektron-pozyton o wysokiej energii (tj. wycofany z eksploatacji SLC lub LEP), możesz również $$ e ^ - + e ^ + \ to l ^ - + l ^ + \ ,, $$ z podobną matematyką.

Teraz, przy energiach znacznie przekraczających 2m_ \ mu c ^ 2 $ , tempo wytwarzania par elektronów i par mionów jest takie samo , co by nie miało miejsca, gdyby jeden był elementarny, a drugi złożony (gdyby miony były złożone, szansa na obecność odpowiednich bitów wpłynęłaby na tempo produkcji, więc szybkość byłaby niższa). Ponadto współczynnik jest zgodny z przewidywaniami ab initio z QED dla fundamentalnych leptonów. Poświęćmy chwilę, aby przypomnieć sobie, że QED oferuje najlepszą pojedynczą zgodność między teorią a eksperymentem w fizyce (g-2 elektronu).

Ponadto istnieje wiele innych interesujących przewidywań z QED dotyczących mionów (na przykład mion g-2, który jest prawie tak samo dobrym dopasowaniem teoretyczno-eksperymentalnym, jak dla elektronów).

To jest tabela cząstek elementarnych modelu standardowego fizyki cząstek elementarnych.

Należy pamiętać, że rozpada się nie tylko mion, ale także tau oraz Z, W i Higgs.

Nazywa się je elementarnymi, ponieważ są elementami składowymi Modelu Standardowego; budowanie wszystkich innych cząstek i kontrolowanie interakcji w mikroświecie, gdzie mechanika kwantowa jest niezbędna do obliczania i przewidywania zachowania cząstek przy użyciu modelu standardowego.

Rozpady nie są jedyną oznaką istnienia podstruktury. Podstruktura jest badana w eksperymentach rozpraszania wyposażonych w standardowe funkcje modelu. Cząstki elementarne w tabeli nazywane są cząstkami punktowymi, ponieważ nie mają podstruktury jako hipotezy modelu, a model jest stale walidowany, tj. Nie został sfałszowany. Jak pokazuje diagram dostarczony przez @Statics, istnieje wierzchołek punktu w słabym rozpadzie mionu (jak również tau oraz Z i W). Wszystkie cząstki w tabeli są traktowane jako cząstki punktowe, gdy wchodzą w interakcje. Brak miejsca na składniki.

Teorie strun mają na celu rozszerzenie modelu standardowego, opisanie cząstek elementarnych jako struny, ale jest to przedmiotem badań i nadal nie ma składników w reprezentacji cząstki jako struny.

Addition po dalszym wycofaniu.

Jak ustalono skład jądra atomów? Słynny eksperyment Rutherforda, który wykazał głębokie nieelastyczne rozpraszanie.

Te same eksperymenty z rozpraszaniem przy wyższych energiach pokazały głębokie nieelastyczne rozpraszanie w protonach, ustalając istnienie kwarków i gluonów.

W ogólnych eksperymentach z rozpraszaniem ustalono współczynniki kształtu celów, „kształt” w przestrzeni i przestrzeń energii / pędu celów, patrz rysunek 11 tutaj. To, że proton i neutron nie były cząstkami punktowymi, zostało ustalone na długo przed odkryciem zawartości kwarków, a Feynman zaproponował model partonów do modelowania danych. Eksperymenty wykazały odchylenia od modelu partonowego, który ustalił twarde rozpraszanie na centrach rozpraszania za pomocą tak zwanych danych o wysokim p_t.

Żadna taka struktura nie pojawiła się dla elektronu w zakresie energii w naszych eksperymentach, jego punkt wielkości, taki jak w 10 $ ^ {- 18} $ span> metry i jego kształt kulisty z dużą dokładnością..

Symetrie w standardowym modelu fizyki są następnie wykorzystywane do ustalenia struktury przypominającej punkt dla cząstek elementarnych w tabeli. W chwili obecnej sukces modelu standardowego w opisie danych eksperymentalnych nie pozostawia miejsca na złożoność cząstek elementarnych. Jeśli istnieje, w naszych eksperymentach trzeba osiągnąć znacznie wyższe energie, aby je odkryć.

Mion nie jest cząstką złożoną.Fakt, że może się rozpadać, jest związany ze słabą interakcją, która jest możliwa dzięki istnieniu bozonów $ W / Z $ . Mion może rozpadać się na neutrino i elektron, ponieważ jego masa spoczynkowa jest większa niż masa elektronu.Ponieważ nie ma innego naładowanego leptonu o masie mniejszej niż elektron, elektron nie może sam rozpaść się na nic.

Ze wszystkich tysięcy eksperymentów wiemy, że mion ma prawie takie same właściwości jak elektron i dlatego można go uznać za lepton.Lepton nie jest niczym złożonym cząstką, nie wiąże ze sobą neutrin i elektronów.Nie ma znanej siły, która opisywałaby takie wiązania.