Warum nennen wir die Fermionen im Standardmodell nicht Kraftträger?

Die Situation ist überhaupt nicht symmetrisch: Dieses Diagramm

beschreibt eine Kraft zwischen zwei Fermionen, aber ein Diagramm wie z

existiert einfach nicht (im Standardmodell).

Fermionen können tatsächlich eine Kraft zwischen Bosonen vermitteln, wie in:

Solche Diagramme sind jedoch stark unterdrückte Schleifendiagramme, und das obige würde nach der Renormierung nur als ein Beitrag zum neu summierten 4-Boson-Vertex angesehen werden.

Ich denke, dass es hier mehr um die historische Konstruktion der Theorie geht als um die tatsächlichen Wechselwirkungen. In einem Lagrangian interagieren zwei Felder A, B, wenn es einen Produktterm von beiden gibt, z. B. AB. Ich sehe dort also keinen wirklichen grundlegenden Unterschied, selbst bei komplizierteren Ausdrücken.

Aber wenn man die Wechselwirkungsbosonen einführt, dann mit Eichtheorien. Grundsätzlich beginnen wir mit "einem Teilchen" (einem Feld, das diese Art von Teilchen beschreibt), für das wir eine lokale Symmetrie auferlegen. Damit die Lagrange-Funktion invariant ist, müssen wir neue Felder einführen, nämlich die der Wechselwirkungsbosonen. (Diese Konstruktion führt zu dem Begriff für das Photon, das Z, die W's)

Wenn wir eine Kraft als Streuprozess identifizieren, also mit einem Vermittler einiger Wechselwirkungen, dann muss dies natürlich kein Vektorboson sein. Man kann zum Beispiel von „Higgs“-Kraft sprechen, wenn der betrachtete Prozess durch das Higgs (das ein Skalar ist) vermittelt wird. Es gibt auch zahlreiche Fälle, in denen die Wechselwirkung durch ein Fermion vermittelt wird. Daher ist es keine Entweder-Oder-Situation, wie Ihre Frage zu implizieren scheint.

Nehmen wir das folgende Spielzeugmodell:

$$\begin{equation} \mathcal{L}_{toy} = \,(\lambda\,\overline{X}\,F\,S +\lambda^\star\overline{F}\,X\,S) + M_X \overline{X} X+ M_F \overline{F} F +\frac{1}{2}M_S^2 S^2\end{equation}$$ Wo $X$Und $F$sind Fermionen, und $S$ein echter Skalar. Alle Felder werden als reine Eich-Singletts angenommen.

Angenommen, der Hierarch$M_F\gg M_X \gtrsim M_S$, dann führt dieser Lagrangian zu den Wechselwirkungen$\bar X X \to S S$, die genau durch das schwere Fermion vermittelt werden$F$. Der Querschnitt skaliert als (bei Energien$\sim M_X$):

$$\sigma \sim \frac{|\lambda|^4}{M_F^2}\,.$$

(Nebenbemerkung: Wir können uns vorstellen, dass dieser Lagrangian eine niederenergetische Manifestation eines vollständigeren Modells bei höheren Energien ist - was das Fehlen einiger Begriffe erklären würde -. Die obige Wechselwirkung könnte beispielsweise ein Prozess sein, der zur Produktion dunkler Materie führt im frühen Universum).

Mit demselben Spielzeugmodell können wir für verschiedene Hierarchien die „Standard“-Interaktionen durch den Skalar vermitteln lassen$S$.

Solche Prozesse sind im SM entweder nicht vorhanden oder unterdrückt, aber darüber hinaus sind sie recht häufig.

Warum nennen wir die Fermionen im Standardmodell nicht Kraftträger?

Denn das Standardmodell ist, was es ist. Übrigens denke ich, dass es viel weniger vollständig ist, als die Leute es darstellen, und dass es mit unglücklichem Gepäck einhergeht. Stellen Sie sich zum Beispiel ein Elektron und ein Positron vor , die interagieren . Die Leute sagen, dass sie über virtuelle Photonenkraftträger interagieren:

_{CCASA-Bild von Manticorp/Rubber Duck, siehe Wikipedia}

Aber sehen Sie sich Annas Antwort hier an und beachten Sie Folgendes: "Virtuelle Teilchen existieren nur in der Mathematik des Modells" . Das Elektron und das Positron werfen sich keine Photonen zu. Die einzigen vorhandenen Teilchen sind das Elektron und das Positron. Diese Fermionen sind also in Wahrheit die "Kraftträger".

Vielleicht ist das ein Henne-Ei-Problem, aber könnten wir nicht alle Bosonen fundamental nennen und die Fermionen als Kraftträger zwischen ihnen behandeln?

Man könnte sagen, dass Photonen "fundamentaler" sind als andere Teilchen, da man Fermionen auf Photonen reduzieren kann:

_{Bildnachweis CSIRO, siehe The Big Bang & the Standard Model of the Universe}

Aber Photonen interagieren mit Photonen und mit Elektronen , und Elektronen interagieren mit Elektronen usw., und Neutrinos ähneln eher Photonen als Elektronen. Es wäre also nicht richtig, die Fermionen als Kraftträger zwischen Bosonen zu behandeln.

BEARBEITEN: Schließlich sehen wir nie die asymptotischen Zustände von Feynman-Diagrammen auf Baumebene. Wir können ein Elektron nur messen, wenn es wieder mit unserem Messgerät interagiert und dabei ein Photon erzeugt...

Vergessen Sie nicht die Elektronen- und Positronenspuren in einem Magnetfeld. Oder dass Feynman-Diagramme nicht wörtlich genommen werden sollten .

EDIT2: Immer noch nicht zufrieden mit den Antworten. Fermionen treten im Lagrange des Standardmodells immer bis zur quadratischen Ordnung auf. Wir könnten sie leicht in das Pfadintegral integrieren und unsere Welt nur mit wechselwirkenden Bosonen beschreiben.

Klingt wie ein Plan. Denn was macht die Paarproduktion wirklich? Denken Sie daran, dass Elektronen in Atomorbitalen "als stehende Wellen existieren". Wie existieren sie Ihrer Meinung nach außerhalb eines Orbitals? Was den Elektronenspin und das magnetische Moment und den Einstein-de-Haas-Effekt und den Poynting-Vektor und die Wellennatur der Materie und die Welle in der Box betrifft , muss man nicht das Gehirn von Großbritannien sein, um herauszufinden, dass das Elektron gerecht ist ein 511 keV-Photon in einem geschlossenen chiralen Spinorpfad. Und dass Elektronen und Positronen aufgrund ihrer Beschaffenheit so interagieren, wie sie es tun: