Warum werden Myonen im Standardmodell als Elementarteilchen betrachtet?

Dass ein Teilchen in andere Teilchen zerfällt, ist völlig disjunkt davon, dass es eine Unterstruktur hat/grundlegend oder zusammengesetzt ist.

Einige Beispiele: Ein hochenergetisches Photon kann in Gegenwart eines anderen Objekts, das den überschüssigen Impuls aufnimmt, in ein Elektron und ein Positron "zerfallen". Das bedeutet nicht, dass ein Photon eine Zusammensetzung aus Elektron und Positron ist. Ein freies Neutron zerfällt in ein Proton, ein Elektron und ein Elektron-Antineutrino mit einer durchschnittlichen Lebensdauer von 10 Minuten, ist aber ein zusammengesetzter Zustand aus drei Quarks .

Aus anderen Teilchen zusammengesetzt zu sein bedeutet, ein gebundener Zustand dieser Teilchen zu sein. Quantenfeldtheoretische Prozesse haben kein Problem damit, eine Art von Teilchen in andere Arten von Teilchen umzuwandeln (natürlich unter Berücksichtigung bestimmter Regeln), aber diese Art von Prozess impliziert nicht, dass die Ergebnisse tatsächlich die Eingabe darstellten. In keiner sinnvollen Weise ist ein Photon ein gebundener Zustand von Elektron und Positron, in keiner sinnvollen Weise ist ein Neutron ein gebundener Zustand von Proton und Elektron, und in keiner sinnvollen Weise ist ein Myon ein gebundener Zustand von Elektron und Neutrinos.

Missverständnisse ansprechen

Zunächst gehe ich auf einige Missverständnisse in Ihrer Frage ein.

der Zerfall deutet darauf hin, dass das Myon möglicherweise nur ein zusammengesetztes Teilchen ist

Die Tatsache, dass das Myon überhaupt zerfällt, ist kein Beweis dafür, dass es zusammengesetzt ist. Es ist verlockend zu sagen, dass wenn ein Teilchen$A$zerfallen kann$B$und$C$, dann muss es "aus" sein$B$und$C$. Das funktioniert aber nicht, weil fast alle Teilchen mehrere Zerfallskanäle haben. Zum Beispiel Wasserstoff in der$2s$Zustand kann ein Photon freisetzen, um zum zu gehen$1s$Zustand, aber es kann dies auch selten tun, indem es zwei Photonen freisetzt. Als extremeres Beispiel kann Parapositronium vollständig vernichten und sich in zwei Photonen verwandeln, aber es kann sich auch in vier verwandeln .

Wir denken beim Teilchenzerfall an Kopplungen von Quantenfeldern miteinander: Eine Anregung in einem Feld kann in Anregungen in anderen Feldern zerfallen. Wie Feynman es ausdrückte, existieren diese endgültigen Erregungen nicht „innerhalb“ der ursprünglichen, genauso wenig wie das Wort „Katze“ in Ihnen herumspringt, weil Sie Energie aufwenden können, um es auszusprechen.

Bis zu diesem Punkt scheinen Elektronen doch nicht grundlegend zu sein: https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160404111559.htm

In diesem Artikel geht es um einige der seltsamen Arten, wie sich große Ansammlungen von Elektronen in Festkörpern kollektiv verhalten können, aber er hat nichts damit zu tun, ob Elektronen selbst zusammengesetzt sind oder nicht. Es ist wichtig, dies beim Lesen von Pressemitteilungen im Hinterkopf zu behalten, da die Leute, die untersuchen, was Elektronen in Festkörpern tun, leider dazu neigen, den resultierenden Phänomenen dieselben Namen zu geben wie den Teilchen, nach denen wir in Collidern suchen, was zu viel Verwirrung in der Bevölkerung führt.

Beantwortung der Frage

In Anbetracht dessen haben Sie immer noch Recht, in dem Sinne, dass es völlig natürlich ist zu glauben, dass das Myon zusammengesetzt sein könnte. Wenn Sie beispielsweise in den 1950er Jahren ein Wissenschaftler wären, wäre das Myon nur ein weiteres Teilchen, das zusammen mit einem Zoo von Mesonen und Hadronen entdeckt wurde. Heute wissen wir, dass sich all diese Mesonen und Hadronen als zusammengesetzte Quarks erwiesen haben. Warum also nicht auch das Myon als zusammengesetzt betrachten?

In der Tat wurde in den frühen Tagen die Ähnlichkeit von Myon und Elektron als möglicher Beweis dafür angesehen, dass das Myon ein angeregter Zustand des Elektrons war, genau wie das$2s$Zustand ist ein angeregter Zustand von Wasserstoff. Wenn dies der Fall wäre, würde man erwarten, dass das Myon oft durch Emission eines Photons zerfällt,$\mu \to e \gamma$, aber es wurde festgestellt , dass dies nicht der Fall war . Stattdessen dominieren die Zerfälle mit Neutrinos.

Nun fragen Sie sich vielleicht, warum das Myon nicht eine Zusammensetzung des Elektrons sein kann, das an einige Neutrinos gebunden ist? Diese Idee funktioniert nicht, weil uns keine Kraft bekannt ist, die den Job machen würde: Schon in den 1950er Jahren war bekannt, dass Neutrinos extrem schwach wechselwirken. Es ist weniger wahrscheinlich, dass ein Neutrino überhaupt mit einem Elektron wechselwirkt , als im Lotto zu gewinnen, daher scheint es äußerst unwahrscheinlich, dass es gleichzeitig möglich wäre, sie aneinander zu binden.

Eine weitere Schwierigkeit jeder zusammengesetzten Myonentheorie ist die Erklärung des g-Faktors des Myons , der sein magnetisches Moment bestimmt. Elementarteilchen zu erwarten sind$g \approx 2$. Das zusammengesetzte Proton und Neutron verletzt dies deutlich,

$$g_p \approx 5.59, \quad g_n \approx -3.82$$ während das Elektron und das Myon haben $$g_e \approx 2.002, \quad g_\mu \approx 2.002.$$ Dass$0.002$ist auch kein Beweis für die Zusammensetzung, weil es genau das ist, was Sie für ein perfektes Elementarteilchen erwarten würden, wenn Sie quantenfeldtheoretische Effekte einbeziehen. Genau genommen das Elektron und das Myon$g$-Faktoren wurden mit weitaus mehr Dezimalstellen gemessen, als ich gezeigt habe, und die Ergebnisse stimmen mit großer Genauigkeit mit der Vorhersage des Standardmodells überein. Das Zusammensetzen von Elektronen und Myonen herzustellen, ohne diese Vereinbarung zu stören, scheint ein ernsthaft ausgeklügeltes Modell oder ein Wunder zu erfordern.

Eine Meta-Schwierigkeit

Dies sind bereits große Schwierigkeiten, aber wenn Sie sich vorstellen, ein Wissenschaftler in den 1950er Jahren zu sein, hatte das Quark-Modell seine eigenen Probleme (wie die vollständige Nichtbeobachtbarkeit einzelner Quarks), aber es verdiente Unterstützung wegen seiner Fähigkeit, eine große Anzahl von Hadronen zu berücksichtigen , und sagen Sie neue voraus. Und heute ziehen die Leute Theorien in Betracht, in denen das Higgs-Boson zusammengesetzt ist, weil es hilft, ihm eine angemessene Masse zu verleihen.

Die Meta-Schwierigkeit für das Myon besteht darin, dass es sich nur lohnt, zu versuchen, es zusammengesetzt zu machen, wenn Sie einen Gewinn erwarten, wie z. B. (1) die Vervollständigung eines theoretischen Bildes, (2) neue Vorhersagen oder (3) Möglichkeiten zur Berechnung von Mengen (wie die Myonmasse), die wir sonst als Eingaben nehmen müssen.

Der erste Grund trifft nicht zu, weil das Myon bereits einen ganz guten Platz im Standardmodell hat: Es muss wegen der Familienstruktur der Theorie dort sein, und diese Struktur ist starr genug, dass ohne das Myon das Standardmodell aufgrund von Pegelanomalien mathematisch inkonsistent wäre .

Auch der zweite Grund entfällt. Es ist nicht so, dass wir eine Reihe seltsamer Teilchen herumliegen haben, die als weitere Zusammensetzungen des Elektrons erklärt werden könnten. Und da wir die Eigenschaften des Myons mit exquisiter Präzision gemessen haben, wird so gut wie jede Theorie der Myon-Zusammensetzung "Vorhersagen" machen, von denen wir bereits wissen, dass sie falsch sind! Man muss extrem hart arbeiten, um das zu vermeiden. (Zugegeben, das Myon$g$-factor scheint etwas vom vorhergesagten Wert abzuweichen, und dies erregt Aufmerksamkeit -- es ist nur so, dass Compositeness nicht die Art von Dingen ist, die hier helfen würden.)

Der dritte Grund könnte möglicherweise zutreffen. Die Masse von Teilchen wie Elektron und Myon zu erklären, ist jedoch ein unglaublich schwieriges Problem, selbst wenn man sie nicht als zusammengesetzt betrachtet. Sicherlich würden sich die Köpfe umdrehen, wenn Sie auf eine einfache Theorie kämen, die das Myon-Elektron-Massenverhältnis auf viele Dezimalstellen angibt, aber Jahrzehnte fehlgeschlagener Versuche haben dies unwahrscheinlich erscheinen lassen.

Wenn Sie diese Gründe einfach ignorieren und ein erfundenes Modell erstellen würden, bei dem das Myon zusammengesetzt ist, und alle beteiligten Konstanten auf genau die Werte abstimmen, die erforderlich sind, um alle Abweichungen vom Standardmodell zu verbergen, dann würde es "funktionieren" ... aber es würde auch wissenschaftlich unbrauchbar sein.

Natürlich ist es auch durchaus möglich, dass sich Myonen als nicht-elementar herausstellen, denn in der Wissenschaft ist es unmöglich, jemals ein Negativ zu beweisen! Derzeit wird diese Möglichkeit nicht aktiv untersucht. Aber es ist auch keine Häresie. Wenn in der Zukunft ausreichend seltsame experimentelle Ergebnisse auftauchen, könnten Wissenschaftler gleich wieder an zusammengesetzten Elektronen und Myonen basteln und ihr Bestes geben, um die Ergebnisse und das Universum zu verstehen.

Der beste Ort, um Beweise dafür zu finden, dass Zerfall nicht gleich Zusammensetzung ist, ist die Partikelerzeugung . Denn wenn Verfall Zusammengesetztheit bedeutete, dann würde die Schöpfung erfordern, dass Sie die Bestandteile zusammenbringen.

Wenn Sie zwei Nukleonen mit ausreichend hoher Energie zusammenschlagen, kommt eine Menge Müll heraus. Ein Teil dieses Mülls sind Lepton-Teilchen-Antiteilchen-Paare, und viele von ihnen entstehen durch Wechselwirkungen wie z

$$q + \bar{q} \to l^- + l^+ \,.$$ Dieser Vorgang wird "Drell-Yan" genannt. Die Leptonen können Elektronen, Myonen oder Tauonen sein. Die Gewinnung von Myonen ist experimentell sehr nützlich, daher wird dieser Prozess manchmal als Untersuchung der Struktur des Nukleonenmeeres verwendet. (Wenn Sie Protonen auf Protonen setzen, müssen die Anti-Quarks aus dem Meer kommen, da der Valenzgehalt nur Quark ist.)

Wenn Sie eine Elektron-Positron-Maschine mit hoher Energie haben (dh die stillgelegte SLC oder LEP), können Sie dies auch tun

$$e^- + e^+ \to l^- + l^+ \,,$$ mit ähnlicher Mathematik.

Nun, bei Energien sehr viel vorbei$2m_\mu c^2$, ist die Rate für die Erzeugung von Elektronenpaaren und die für die Erzeugung von Myonenpaaren gleich, was nicht der Fall wäre, wenn eines elementar und das andere zusammengesetzt wäre (wenn die Myonen zusammengesetzt wären, würde die Wahrscheinlichkeit, dass die richtigen Bits vorhanden sind, dazu beitragen zur Produktionsrate, so dass die Rate niedriger wäre). Weiterhin stimmt die Rate mit den Ab- initio - Vorhersagen der QED für fundamentale Leptonen überein. Nehmen wir uns einen Moment Zeit, um uns daran zu erinnern, dass QED die beste Einzelübereinstimmung zwischen Theorie und Experiment in der Physik bietet (das g-2 des Elektrons).

Darüber hinaus gibt es viele andere interessante Vorhersagen von QED über Myonen (z. B. das Myon g-2, das eine fast so gute Theorie-Experiment-Übereinstimmung wie das für Elektronen darstellt).

Dies ist die Elementarteilchentabelle des Standardmodells der Teilchenphysik.

Bitte beachten Sie, dass nicht nur das Myon zerfällt, sondern auch Tau und Z, W und Higgs.

Sie werden elementar genannt, weil sie die Bausteine ​​des Standardmodells sind; Aufbau aller anderen Teilchen und Steuerung von Wechselwirkungen in der Mikrowelt, wo Quantenmechanik notwendig ist, um das Verhalten von Teilchen unter Verwendung des Standardmodells zu berechnen und vorherzusagen.

Zerfälle sind kein eindeutiger Hinweis auf die Existenz einer Substruktur. Die Unterstruktur wird in Streuexperimenten untersucht, die mit den Standardmodellfunktionen ausgestattet sind. Die Elementarteilchen in der Tabelle heißen Punktteilchen, weil sie als Hypothese des Modells keine Substruktur haben und das Modell laufend validiert, dh nicht falsifiziert wurde. Wie das von @Statics bereitgestellte Diagramm zeigt, gibt es einen Punktscheitel im schwachen Zerfall des Myons (wie auch des Tau und des Z und des W). Alle Partikel in der Tabelle werden als Punktpartikel betrachtet, wenn sie interagieren. Kein Platz für Wähler.

Stringtheorien zielen darauf ab, das Standardmodell zu erweitern, Elementarteilchen als Strings zu beschreiben, aber dies ist ein Gegenstand der Forschung, und immer noch gibt es keine Konstituenten in der Stringdarstellung eines Teilchens.

Ergänzung nach weiterem Abruf.

Wie wurde die Zusammensetzung des Kerns der Atome festgestellt? Durch das berühmte Rutherford-Experiment , das tiefinelastische Streuung zeigte.

Dieselben Streuexperimente bei höheren Energien zeigten tief inelastische Streuung in den Protonen, was die Existenz von Quarks und Gluonen belegte.

In allgemeinen Streuexperimenten wurden die Formfaktoren der Ziele, die „Form“ im Raum und der Energie-/Impulsraum der Ziele ermittelt, siehe Abbildung 11 hier . Dass Proton und Neutron keine Punktteilchen sind, wurde lange vor der Entdeckung des Quarkinhalts festgestellt, und Feynman hatte sein Parton-Modell vorgeschlagen, um die Daten zu modellieren. Experimente zeigten Abweichungen vom Parton-Modell, das die harte Streuung an Streuzentren durch die sogenannten High-p_t-Daten festlegte.

Keine solche Struktur ist für das Elektron innerhalb des Energiebereichs unserer Experimente aufgetreten, seine Größe entspricht dem Punkt innerhalb$10^{-18}$Meter, und seine Form kugelförmig mit großer Genauigkeit. .

Die Symmetrien im Standardmodell der Physik werden dann genutzt, um eine punktförmige Struktur für die Elementarteilchen in der Tabelle zu postulieren. Im Moment lässt der Erfolg des Standardmodells bei der Beschreibung der experimentellen Daten keinen Raum für die Zusammensetzung von Elementarteilchen. Wenn es existiert, müssen in unseren Experimenten viel höhere Energien erreicht werden, um es zu entdecken.

Das Myon ist kein zusammengesetztes Teilchen. Die Tatsache, dass es zerfallen kann, hängt mit der schwachen Wechselwirkung zusammen, die aufgrund der Existenz von möglich ist$W/Z$-Bosonen. Das Myon kann in Neutrino und Elektron zerfallen, da seine Ruhemasse größer ist als die eines Elektrons. Da es kein anderes geladenes Lepton mit einer geringeren Masse als ein Elektron gibt, kann das Elektron selbst nicht in irgendetwas zerfallen.

Aus all den Tausenden von Experimenten wissen wir, dass ein Myon ziemlich die gleichen Eigenschaften wie ein Elektron hat und somit als Lepton betrachtet werden kann. Lepton sind keine zusammengesetzten Teilchen von irgendetwas, sie binden keine Neutrinos und Elektronen aneinander. Es gibt keine bekannte Kraft, die solche Bindungen beschreiben würde.