Können Quarks als reell und elementar betrachtet werden?

In unseren aktuellen Theorien bestehen alle Hadronen aus Quarks und Gluonen.

Diese Ansicht reduziert die große Familie der Hadronen erheblich, indem sie eine sehr logische Struktur bereitstellt, in der alle Quanteneigenschaftswerte der Hadronen aus den Quanteneigenschaften der Valenzquarks stammen. Da sie jedoch nicht isoliert beobachtet werden können, wie es Elektronen oder Positronen können, geht die Theorie davon aus, dass die Farbbeschränkung nur ein Teil des Spiels ist.

Tatsächliche Berechnungen der QCD verwenden jedoch eine Ansicht, bei der es sich um Quarks und Gluonen handelt, die in einem Raum-Zeit-Volumen verteilt sind, was erforderlich ist, um viele der reichen Phänomene der Hochenergiephysik zu beschreiben.

Aber all das wundert mich:

Sind Quarks reell und elementar? Ich meine, gibt es mehr Beweise dafür, dass sie mehr als nur ein Modell sind, das funktioniert?

Da hadronische Materie nicht in Stücke zerlegt werden kann, die kleiner als das kleinste Hadron sind, könnte die Realität nicht auch durch ein Modell erklärt werden, in dem alle beobachtbaren Hadronen die elementaren sind, die Regeln für die Umwandlung in andere folgen usw.?

Übrigens wurde diese letzte Idee bereits von Hagedorn in seinem sehr berühmten bekannten Artikel vorgestellt, in dem er am Ende versucht, seinem Modell einen phylosofischen Standpunkt zu geben, daher frage ich mich, warum er verworfen wurde.

Ich denke, dass dies im Kern eher eine Frage der Philosophie ist (denken Sie zB an Occams Rasiermesser) als eine echte (experimentell überprüfbare) Wissenschaft. Physiker ziehen es typischerweise vor, weniger Elementarteilchen zu haben, die es dennoch schaffen, alle Daten zu erklären.
Können Sie ein Beispiel für eine physikalische Theorie geben, die mehr ist als „ein funktionierendes Modell“ ? (Ich denke, das können Sie nicht, und ich bin mir nicht sicher, was der physische Inhalt dieser Frage ist.)
Ja @Danu, und ich interessiere mich tatsächlich für die physische Seite und harte Beweise, die das Standardmodell unterstützen. Es könnte Hinweise auf seine Schwäche geben und Hinweise darauf geben, was jenseits des Standardmodellpfads liegen könnte. Ich frage, weil ich die Veröffentlichungen auf diesem Gebiet nicht kenne.
@ACuriousMind, die Allgemeine Relativitätstheorie ist mehr als ein Modell, das funktioniert, sie geht von sehr wenigen Annahmen über die Natur von Raum und Zeit aus und erhält eine große Anzahl experimentell verifizierter Schlussfolgerungen und Phänomene, die zuvor ohne Bezug oder unerklärt waren; es erfordert minimales Wissen über Messgrößen; und all dies unterstützt meiner Meinung nach die Vorstellung von Zeit und Raum als eine Einheit mit Eigenschaften als mehr als nur eine Konzeptualisierung.
Gibt es einen Kompromiss? Ist zum Beispiel Quark-Gluon-Plasma mit elementaren Quarks leichter und mit elementaren Hadronen schwieriger zu modellieren? Und ich bin daran gewöhnt, dass die Gluonen auch wichtig sind, all das Gerede von Quarks im Vergleich zu Hadronen lässt mich glauben, dass wir die Qluonen vermissen. Und da Hadronen Fermionen sind, sieht es auf den ersten Blick so aus, als würde uns nur bei Hadronen etwas fehlen. Aber dann denke ich an ( dx.doi.org/10.1016/j.shpsb.2004.11.005 ) "Sind alle Teilchen echt?" von Sheldon Goldstein u. Al. und erkennen, dass wir auch ohne die Hadronen und die Quarks und die Gluonen auskommen können, wenn wir es wirklich wollen
@dmckee die doppelten Kandidaten sind sehr unterschiedlich, einer fragt nach der ontologischen Natur von Elementarteilchen und der andere fragt einfach, ob das Standardmodell falsch sein könnte. Mir ist klar, dass eine Theorie nicht wahrer oder falscher sein kann, sondern vielmehr anwendbarer oder nicht auf die bekannten Phänomene und für den Bereich, für den sie geboren wurde, immer nützlich bleibt. Meine Frage fragt also neben den genannten Elementen direkt nach harten physischen Beweisen, die die Theorie stützen. Und ich zitiere das Papier von Hagedorns als Referenz, ohne die Absicht, seine Wahrhaftigkeit zu validieren, basierend darauf, wie bekannt er ist.
"Konnte die Realität nicht erklärt werden" - es ist wahrscheinlich unmöglich, die Realität zu erklären , aber es ist möglich, die Realität bis zu einem gewissen Grad zu modellieren , und das ist mehr oder weniger das, was Physik ist .
@AlfredCentauri Erklärung ist für gute Physik unerlässlich. Sie können ein Modell erstellen, bei dem Ihre Rückschlüsse auf vergangene Ergebnisse logischerweise keinen Bezug zu Ihren Vorhersagen haben. Wenn Ihre Vorhersagen falsifizierbar sind, dann ist es technisch immer noch Wissenschaft. Aber wenn Ihre Vorhersagen völlig zufällig sind und nichts mit Ihren Rückschlüssen zu tun haben, dann erklärt Ihre Theorie nichts und ist schlechte Wissenschaft, selbst wenn sich Ihre Vorhersagen als richtig herausstellen, wie ein Zufallszahlengenerator, der Hamlet eintippt. Erklärung ist immer wesentlich für gute Wissenschaft.
@Timaeus, ich denke, Sie versuchen, meinen Kommentar falsch zu lesen, anstatt zu versuchen, ihn zu verstehen.
@AlfredCentauri Ich habe nicht versucht, es falsch zu lesen, aber ich habe es vielleicht falsch gelesen. In diesem Fall könnten andere es auch auf die gleiche Weise falsch interpretieren. In diesem Fall könnten meine Antwort und dann Ihre Antwort auf meine für zukünftige Besucher der Website hilfreich sein. Aber ich bin mir immer noch nicht sicher, was du gesagt hast. Das Ziel der Physik ist es, sowohl zu erklären als auch zu modellieren, und deshalb sind einige Modelle objektiv besser als andere, noch bevor ihre Vorhersagen getestet werden. Und diese Frage bezieht sich genau auf diese Themen.
@Timaeus, erkläre zB das Elektron (oder das Elektronenfeld). Sicher, man kann es identifizieren und charakterisieren, aber wenn man davon ausgeht, dass das Elektron fundamental ist, kann man es nicht prinzipiell erklären, es ist einfach . Wenn man das Elektron mit „mehr“ fundamentalem Zeug erklären könnte , wäre das Elektron nicht fundamental. Das ist die Natur der fundamentalen Physik.
@AlfredCentauri, selbst wenn das Elektron grundlegend ist, wie wir heute glauben, kann es grundlegender erklärt werden, weil unser Verständnis dessen, was ein Elektron ist und woher seine grundlegenden Eigenschaften stammen, im Prinzip eine robustere Erklärung haben könnte. Viele Jahre lang haben wir es aufgegeben, es als Teilchen zu beschreiben, und wir können sicherlich nicht sagen, dass es nur eine Welle ist, daher können wir uns derzeit kein geistiges Bild davon machen, was es ist. Ich meine ein Bild, bei dem das, was es ist, die Regeln für sein Verhalten generiert. Es gibt also Raum, um unser Verständnis zu erweitern.
@mhleo, dein erster Satz ist inkohärent, er ist analytisch falsch.
@AlfredCentauri wird klar, wenn man den Rest des Kommentars liest. Vielleicht hätten einige Zitate die Botschaft klarer gemacht. Der Punkt ist, dass das Elektron als Elementarteilchen, wie wir es heute haben, noch Raum für Verbesserungen der Theorie lässt. Daher kann es grundsätzlicher verstanden werden. Ich denke, dass die Arbeit der Physik über das Charakterisieren und Identifizieren hinausgeht, es geht auch darum, die beobachteten Phänomene in immer einfacheren, aber wirkungsvolleren Begriffen zu konzeptualisieren.
@mhleo, ich habe den Rest des Kommentars gelesen und der erste Satz ist immer noch analytisch falsch. Sie verwenden das Wort grundlegend, um etwas anderes als grundlegend zu bezeichnen (wie in Primary ). Dies erinnert an die schlampige Verwendung des Wortes „Universum“, das alles bedeuten sollte , was es gibt, gab und jemals geben wird , aber offensichtlich verwenden es einige anders. Das Problem ist, wenn Sie das Wort grundlegend für das verwenden, was Sie sagen, was ist das Wort für etwas, das wirklich grundlegend ist?

Antworten (4)

Wie im OP erwähnt, vereinfachen Quarks die Theorie der Hadronen enorm, wie Atome die Chemie, und trotz der Beschränkung wurden Rutherford-ähnliche Experimente auch für sie durchgeführt, von Friedman, Kendall und Taylor, die dafür 1990 den Nobelpreis erhielten: „ unerwartet groß eine große Anzahl von Elektronen, die unter großen Winkeln gestreut wurden, lieferten einen klaren Beweis für die punktförmigen Bestandteile innerhalb von Nukleonen, die heute als Quarks verstanden werden. “

Aber können Quarks immer noch als nicht existent betrachtet werden? Technisch ja. Dies ist die Antwort, die Mach im 19. Jahrhundert über Atome gab : Sie sind nur Fiktionen, und die Theorie kann so umgestellt werden, dass sie eliminiert werden, z. B. indem nur messbare Größen miteinander verbunden werden, und zwar rein mathematisch (Mach und a der führende Chemiker Ostwald weigerte sich nach 1870 sogar, Atome in ihren Werken zu erwähnen). Dies galt auch nach Rutherfords Experimenten und gilt heute trotz der Technologie, die es (angeblich) " ermöglicht, sie abzubilden, zu spalten und zu zerschlagen ". Tatsächlich kann man sogar Alltagsgegenstände eliminieren und alles auf Empfindungen reduzieren, wie einige Positivisten vorschlugen. Aber das würde zu einer sehr unattraktiven Theorie führen.

Natürlich kann es auch andersherum gehen: Ende des 19. Jahrhunderts war der Äther ein fester Bestandteil der Realität. Einige erwarteten sogar eine Theorie von allem, wie Michelson 1902, siehe Kragh's Quantum Generations, S. 4 :

" Der Tag scheint nicht mehr weit entfernt, an dem sich die zusammenlaufenden Linien aus vielen scheinbar fernen Gedankenregionen treffen werden ... Dann die Natur der Atome und die Kräfte, die bei ihrer chemischen Vereinigung ins Spiel kommen ... die Erklärung von Kohäsion, Elastizität, und Gravitation – all dies wird zu einem einzigen kompakten und konsistenten Korpus wissenschaftlicher Erkenntnisse zusammengefasst … eine der großartigsten Verallgemeinerungen der modernen Wissenschaft … dass alle Phänomene des physikalischen Universums nur unterschiedliche Manifestationen der verschiedenen Bewegungsarten sind aus einer alles durchdringenden Substanz – dem Äther. “

Und dann war der Äther nicht mehr da. Aber das passiert nicht sehr oft.

aber sind Quarks wirklich elementar? Ist das Partikelkonzept in dieser Größenordnung relevant?
@igael Es ist schwer zu sagen, was "wirklich elementar" in einem absoluten Sinne bedeutet, historisch gesehen gibt es nur elementar innerhalb einer Theorie. Atome waren elementar in der klassischen Chemie, sie wurden in der Atomphysik in Kern und Elektronen gespalten, dann wurden im Standardmodell Nukleonen in Quarks gespalten, wenn die Stringtheorie herausfindet, dass alle "Elementarteilchen" von SM nur "unterschiedliche Manifestationen der verschiedenen sind Bewegungsmodi" einer Art von Objekten, den Saiten. "Elementarität" hält nur bis zu einer Energieschwelle, wo eine Theorie gilt, jenseits dieser Schwelle gibt es eine andere Schicht.
Der Äther lebt weiter! Es ist Gegenstand der M-Theorie.
@AndrewSteane So ungefähr. Einstein dachte auch, dass der Äther als physikalische Raumzeit von GR und Dirac als das Quantenvakuum von QED weiterlebt, siehe Nicht-Standard-Interpretationen in der modernen Physik .
@Conifold Nun, Äther hat sich verwandelt und wurde als dunkle Energie wiedergeboren, was ein modisches Allheilmittel für alle Arten von Leiden ist, die Kosmologen haben.
@MadMax Nicht wirklich. Äther sollte die Theorien aller Materie und Wechselwirkungen vereinen. Dunkle Energie hat nichts mit Elektromagnetismus oder Kernkräften zu tun, es ist nur ein Korrekturterm für Gravitationsgleichungen, Einsteins kosmologische Konstante mit umgekehrtem Vorzeichen in den einfachsten Modellen.
@Conifold, ich betone die Ähnlichkeit (eher als ein direktes Gegenstück), wenn Menschen ihre Hoffnung auf wackeligen Boden an etw binden. Ein weiteres Beispiel: eine Orwellsche Regierung des großen Bruders, um alle sozialen Missstände zu lösen.
@Conifold und die Quantenfluktuationen von Feldern ("Elektromagnetismus oder Kernkräfte" gleichermaßen) tragen angeblich zum Vakuum / zur dunklen Energie bei. Es gibt also kein Entkommen aus DE (das SUSY-Wunder wird auch durch das Brechen der EW-Symmetrie verdorben, richtig?). Was das „Sign“-Problem angeht, sollten Sie sich vielleicht das kürzlich erschienene „Sumpfland“-Brouhaha ansehen.

Was Sie vorschlagen, nennt sich Kerndemokratie und war in den Tagen vor dem Aufkommen des Standardmodells sehr beliebt. Siehe auch die Diskussion in http://www.physicsoverflow.org/22971 , wo Sie (unter anderem) meine aktuelle Sichtweise dazu lesen können.

Wenn es wie ein Quark konserviert und wie ein Quark streut, dann ist es ein Quark.

„Unerwartet viele Elektronen, die unter großen Winkeln gestreut wurden, lieferten einen klaren Beweis für die punktförmigen Bestandteile innerhalb von Nukleonen. Diese Bestandteile werden jetzt als Quarks verstanden.“

Genaue Formel - beweisen nicht, dass es Quarks gibt, sondern punktförmige Bausteine ​​innerhalb von Nukleonen, die man jetzt als Quarks versteht. Logisch perfekt :)

Meiner persönlichen Ansicht nach ist die Frage der elementaren / zusammengesetzten Teilchen am wichtigsten, und die Idee der nuklearen Demokratie war die Wurzel des Problems.

Die nukleare Demokratie legte nahe, dass alle Teilchen im Teilchenzoo elementar sind, das heißt, dass sie nicht aus einander bestehen . Das ist eine normale Sichtweise für Physiker dieser Zeit und eine sehr seltsame Sichtweise für Chemiker. Physiker neigen dazu, sich Teilchen als Punkte vorzustellen, und Chemiker neigen dazu, sich Teilchen als Elemente, Verbindungen von Elementen und Reaktionen vorzustellen. Ganz anderer Hintergrund - die damaligen Physiker hatten keine Erfahrung in der Klassifizierung von Teilchen und Reaktionen und die Chemiker hatten diese Erfahrung seit Jahrhunderten, da dies ein Schlüssel in der Chemie ist.

Diese nukleare Demokratie wurde bereits teilweise im Standardmodell berücksichtigt, also kein Grund, noch einmal darauf zurückzukommen. Aber die nukleare Demokratie braucht starke experimentelle Beweise für Chemiker, obwohl es für Physiker selbstverständlich ist.

Aus diesem Grund, denke ich, wurde eine große Klasse von Theorien nicht einmal überprüft, und es ähnelt Ihrer Frage. Ja, andere Ansätze können existieren. Wurden aber nie kontrolliert.

Zum Beispiel schlug Rutherford, der das Neutron vorhersagte, vor, dass Neutronen Kern-Verbundteilchen ähnlich sind, die aus Protonen und negativen Teilchen bestehen. Er schlug auch vor, dass dieses Teilchen das "innere" Elektron des Kerns sein könnte.

Es wurde offensichtlich, dass das Elektron nicht im Kern sein kann. Aber was ist mit dem Hauptvorschlag, dass Neutron zusammengesetzt (Verbindung) ist, die aus Proton und negativem Teilchen (anders als Elektron) besteht? Niemand hat die Teilchen von Particle Zoo auch nur auf die Möglichkeit überprüft, ein Partner für Protonen bei der Kernbindung zu sein.

Stattdessen wurden alle Teilchen als gleich elementar vorgeschlagen, ihre Klassifizierung erfolgte mit dieser unbewiesenen Kerndemokratie-Idee, Symmetrie wurde angewendet - und wir haben ein natürliches Ergebnis - das Quarks-Modell.

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