Warum sind stabile Elementarteilchen Fermionen?

Das Standardmodell wurde entwickelt, um Messungen und Beobachtungen anzupassen. Die Beobachtungen haben eine axiomatische Position in jedem Modell, das entworfen wurde, um zu den Beobachtungen zu passen.

Die Mathematik ermöglicht es, verschiedene Sätze von Axiomen auszuwählen, wodurch Theoreme zu Axiomen und frühere Axiome als Theoreme beweisbar werden. In ähnlicher Weise können die Postulate , die eine Teilmenge mathematischer Beziehungen zur Beschreibung der Messungen binden, geändert werden, und neue, mathematisch einfachere Postulate ersetzen sie, aber die Beobachtungspostulate müssen immer noch anhand der Postulate bewiesen werden. Mit anderen Worten, in einem physikalischen Modell gibt es immer axiomatische Aussagen, die mit Beobachtungen verbunden sind. Ein letztes Abschälen der Zwiebel mit der Frage „Warum“ wird am Ende ein „Weil das beobachtet wird“ treffen.

Das "Warum sind fundamentale Teilchen Fermionen" trifft also auf die Erhaltung der Baryonenzahl als validierte Hypothese und die Beobachtung, dass das Proton einen Spin von 1/2 sowie das Elektron einen Spin von 1/2 hat und beide stabil sind.

Aus diesen drei Beobachtungen/Messungen und Erhaltungssätzen hat die Komplexität der Teilchenwechselwirkungen, ausgehend von Streuungen von Protonen, Elektronen und Photonen, die Anzahl der fundamentalen Teilchen in der Tabelle offenbart :

Erhaltungssätze, ebenfalls grundlegend und aus Beobachtungen axiomatisch, von Impuls, Energie und Drehimpuls haben zu dieser Tabelle geführt, so dass ein mathematisch konsistentes Modell, das Standardmodell, passen und somit die Fülle von Daten kapseln könnte.

Es sind also die beiden stabilen Alltagsteilchen Protonen und Elektronen, die den Spinbestimmungen aller Elementarteilchen in der Tabelle unter Verwendung von Erhaltungsgesetzen zugrunde liegen. Zufälligerweise ist nur das Photon ein stabiles Boson, aber das „Passiert“ ist eine physikalische Beobachtung.

Mit anderen Worten, die Denker saßen nicht da und dachten : „Lasst uns annehmen, dass die meisten stabilen Teilchen Fermionen sind und sehen, ob dies zu den Daten passt, ob es eine stabile Welt gibt“ . Das mathematische Modell wurde entwickelt, um den Daten zu entsprechen.

Könnte man im Prinzip ein konsistentes Modell erstellen, bei dem die stabilen Elementarteilchen Bosonen sind?

Wenn Sie nach der Welt fragen, in der wir leben, lautet die Antwort nein : Denn die Stabilität der Materie, wie wir sie kennen, hängt stark vom Pauli-Ausschlussprinzip ab , ebenfalls ein Beobachtungspostulat.

Innerhalb des Standardmodells endet jeder Teilchenzerfall schließlich bei denselben stabilen Fundamentalteilchen, dh u- und d-Quarks, dem Elektron und den Neutrinos.

Stimmt nicht - Zerfallsketten können auch in stabilen Photonen enden, und bei Temperaturen, die hoch genug sind, um Quark-Gluon-Plasmen zu erzeugen, können sie auch in Quarks oder Gluonen enden. Im Allgemeinen zerfallen Teilchen in leichtere Teilchen, deren Gesamtzerfallsprodukte die gleichen erhaltenen Gesamtquantenzahlen von Farbladung, schwachem Isospin, elektrischer Ladung, schwacher Hyperladung, Baryonenzahl, Elektronenzahl, Myonenzahl und Tau-Zahl haben. (Neutrinooszillationen ermöglichen Wechselwirkungen, die die Elektronen-, Myon- und Tau-Zahl einzeln verletzen, aber ihre gesamte "Leptonenzahl" beibehalten.)

Denken Sie nebenbei daran, dass die Stabilität der Eigenschaften der subatomaren Teilchen in unserer Umgebung es uns ermöglicht, die gleichen Bedingungen für das Leben vorzufinden. Ein Messer wäre ein Messer in Afrika ebenso wie in Australien ebenso wie in der Raumstation.

Es gibt einige Momente, die wichtig sind:

1. Wenn der Energieaustausch zwischen den subatomaren Teilchen binär wäre – das heißt, es gäbe nur Photonen mit einem Energieinhalt –, wären die Elektronen in Atomen nur in zwei Zuständen, angeregt oder nicht, und dies wäre eine sehr arme Welt. Die Bosonen sind also eine Klasse sehr wichtiger Teilchen.
2. Photonen haben sowohl oszillierende elektrische als auch magnetische Dipolmomente. Aber nur zwei Photonen - gleicher Energie - können einen symbiotischen Zustand haben (Photonenbündelung), größere Cluster (verbunden durch ihre magnetischen und elektrischen Dipolmomente) sind nicht möglich.
3. Die oben erwähnte Stabilität unserer Umgebung ist nur eine lokale Eigenschaft. Beinahe eine Anhäufung von Materie, viel größer im Verhältnis zu unserer Sonne, verwandelt das Gravitationspotential die gewohnte Welt. Elektronen oder Protonen existieren nicht mehr, nur noch Neutronen. Unter höherem Gravitationspotential existieren keine Neutronen mehr, sondern nur noch Gluon-Quark-Plasma. In Schwarzen Löchern werden – um spekulativ zu sein – vielleicht sogar die Photonen in Bestandteile eingeschmolzen.

Was die Wissenschaft getan hat, ist die Einordnung der begründeten Elementarteilchen in das Standardmodell und die Einteilung dieser Teilchen in Materiebestandteile und Austausch-(Energie-)Bestandteile.