Angesichts der Tatsache, dass einige der in Hochenergie-Beschleunigern erzeugten Teilchen nur sehr kurze Zeit leben, so lange, dass es oft schwierig ist, sie direkt zu beobachten, betrachten Physiker die erwartete Art und Weise, wie Teilchen zerfallen. Wie können wir vorhersagen, dass ein hypothetisches Teilchen auf eine bestimmte Weise zerfallen würde, ohne dies bereits zu beobachten? Zum Beispiel wurde das Higgs-Boson anhand seines Zerfallsmusters entdeckt, nicht durch direkte Beobachtung: so etwas wie "es quakt wie ein Higgs, es läuft wie ein Higgs, also muss es ein Higgs sein." Andererseits wurde der Beta-Zerfall zuerst beobachtet und dann erklärt. Gibt es eine Möglichkeit, wie Physiker dies tun? Wie können wir sicher sein, dass das zerfallene Teilchen das gesuchte war und nicht ein anderes, das auf ähnliche Weise zerfällt?
Als Beta-Zerfall beobachtet wurde (wie auch Gamma und Alpha), gab es keine Theorie, nur außergewöhnliche unerwartete Daten. Die Theorie wurde Schritt für Schritt aufgebaut. Zuerst die "Stärke" der Wechselwirkung für jede Beobachtung definieren, um mit der durchschnittlichen Lebensdauer zu beginnen. Dies verdeutlichte sich in den drei fundamentalen Kräften .
Am Anfang, als ich in der Graduiertenschule war, waren die Wechselwirkungen nicht klar, man dachte, dass der Beta-Zerfall durch die Vier-Fermi-Wechselwirkung geht . Bevor das Quarkmodell zum Standardmodell wurde, gab es die Wege der Regge-Pole , um das Verhalten starker Wechselwirkungen zu erklären. (Ich habe sie verwendet, um die Daten in meiner Diplomarbeit in den 1970er Jahren zu interpretieren).
Alle diese Theorien haben Vorhersagen gemacht, die erfolgreich waren, aber nur mit dem Standardmodell der Teilchenphysik hat sich ein prädiktives theoretisches Modell so lange und mit einem so breiten Umfang stabilisiert.
Wie können wir sicher sein, dass das zerfallene Teilchen das gesuchte war und nicht ein anderes, das auf ähnliche Weise zerfällt?
Wie die andere Antwort sagt, gibt es eine berechenbare Wahrscheinlichkeit, dass der Zerfall eintritt, wenn die Erhaltungsgesetze für Energie und Spin und die übrigen Quantenzahlen einen Zerfall zulassen.
Wenn eine neue Resonanz gefunden wird, wie das Higgs-Boson am LHC, überprüft man seine Breite, Zerfallsmodi, Spin usw., und dies wird mit neuen Daten fortgesetzt. Erfolgt kein Widerspruch, wird die Identifikation akzeptiert.
In GUTS-Theorien kann das Proton zerfallen . Die Lebensdauer wird auf 10^32 Jahre prognostiziert, und es gibt Experimente, die versuchen, Protonenzerfälle zu messen, die derzeit aufgrund fehlender Beobachtungen Grenzen setzen.
Am LHC werden supersymmetrische Teilchen gesucht. Im Moment sind außer dem Higgs keine neuen Resonanzen zu sehen. Wenn eine neue Resonanz gesehen wird, beginnt das Spiel um das, was es ist, das Überprüfen von Zerfallsmodi, Quantenzahlen usw.
Der allgemeine Grundgedanke lautet: „Was nicht verboten ist, kann passieren“. Sie können QFT (insbesondere das Standardmodell) verwenden, um die Regeln zu definieren und Wahrscheinlichkeiten bestimmter Prozesse zu berechnen. Wenn ein Teilchen hypothetisiert wird, sind es (einige) seiner Eigenschaften, einschließlich seiner Wechselwirkung.
Denken Sie daran, dass wir es mit Wahrscheinlichkeiten und Verteilungen zu tun haben. Sie können niemals den Zerfall eines bestimmten Teilchens vorhersagen, genauso wenig wie Sie das Rollen eines bestimmten Würfels vorhersagen können. Umgekehrt kann man (normalerweise) nicht sagen, dass ein bestimmtes Ereignis mit dem richtigen Endzustand das gesuchte Teilchen ist. Sie müssen eine Verteilung einer großen Anzahl von Ereignissen aufbauen und einen Überschuss finden, der mit den Eigenschaften des Teilchens übereinstimmt.