Woraus bestehen Quarks?

Ich kann diesem Mutter-Gans-Zitat nicht widerstehen:

Woraus sind kleine Jungs gemacht?

Woraus sind kleine Jungs gemacht?

Frösche und Schnecken,

Und Hündchenschwänze;

Daraus sind kleine Jungs gemacht.

Woraus sind kleine Mädchen gemacht?

Woraus sind kleine Mädchen gemacht?

Zucker und Gewürz,

Und alles, was schön ist;

Daraus sind kleine Mädchen gemacht.

Sie geben an:

Atome entstehen also aus Protonen und Neutronen, die wiederum aus Quarks entstehen. und fragen: Aber wo kommen diese Quarks her? Was macht sie aus?

Woher wissen wir, dass Atome aus Protonen und Neutronen gebildet werden? Wir haben tiefinelastische Streuungen , die zeigten, dass die Atome einen harten Kern haben, also keine gleichmäßig verteilte Materie sind. Dann haben wir das Periodensystem der Elemente, das sich gut organisiert, indem es Protonen und Neutronen zählt.

Woher wissen wir, dass Protonen und Neutronen aus Quarks entstehen? Wir haben die Ergebnisse sorgfältiger Experimente, die uns einmal mehr gezeigt haben, dass die tiefinelastische Streuung einen harten Kern innerhalb der Protonen und Neutronen aufweist. Die Untersuchung der Wechselwirkungsprodukte organisierte die Teilchen und Resonanzen in dem, was heute als Standardmodell bezeichnet wird, einer Gruppierung in Familien , die eine Eins-zu-Eins-Entsprechung mit der Hypothese haben, dass die Hadronen (Protonen-Neutronen-Resonanzen) aus Quarks bestehen.

Aber nicht nur. Sie haben auch Gluonen, die die Quarks aufgrund der starken Wechselwirkung zusammenhalten, und die Gluonen wurden experimentell gesehen , wiederum mit Streuexperimenten.

Hier sind wir jetzt. Der LHC streut Protonen an Protonen, dh Quarks an Quarks, bei viel höheren Energien als je zuvor, und wir warten auf Ergebnisse. Die als Standardmodell bezeichnete theoretische Interpretation, die bei niedrigeren Energien so erfolgreich ist, setzt voraus, dass die Quarks elementar sind. Aufgrund des Gluon-Austausches ist es schwer zu sehen, wie ein harter Kern in der Quark-Quark-Streuung erscheinen könnte, um die Zwiebel eine Ebene tiefer zu bringen, dh uns zu sagen, dass die Quarks einen Kern haben.

Auch bei der Neutrino-Quark-Streuung stören die Gluonen, wenn die SM-Theorie bei hohen Energien zutrifft. Im Moment gibt es keinen experimentellen Hinweis darauf, dass die Quarks nicht elementar sind.

Die Natur hat uns jedoch schon früher überrascht und könnte es wieder tun, wenn in Zukunft hochenergetische Lepton-Quark-Streuexperimente entworfen und durchgeführt werden. Feynman hatte, glaube ich, gesagt: „Um zu sehen, woraus eine Uhr besteht, wirft man nicht eine Uhr auf eine andere Uhr und zählt die abfliegenden Zahnräder. Man nimmt einen Schraubenzieher.“ Leptonen mit ihren schwachen Wechselwirkungen sind das Äquivalent zum Schraubendreher.

Quarks bestehen wahrscheinlich aus nichts Grundlegenderem. Die Vorstellung, dass alles aus etwas anderem gemacht werden muss, ist nicht wahr. Licht besteht aus nichts anderem, die Schwerkraft auch nicht. Dass Atome interne Dinge hatten, war offensichtlich, weil sie elektrisch neutral sind und dennoch Licht mit bestimmten magischen Frequenzen streuen. Neutronen und Protonen verrieten ihre nichtelementare Struktur aufgrund ihrer magnetischen Momente und zu starker Streuung auf kurze Distanzen. Es ist normalerweise offensichtlich, wenn ein Partikel zusammengesetzt ist.

Die Quarks hingegen sind zusammen mit den Elektronen, dem Licht, der Gravitation und den Gluonen sowie W- und Z-Bosonen vollkommen elementar, in dem Sinne, dass ihre Wechselwirkungen durch eine renormierbare Quantenfeldtheorie gut beschrieben werden. Wenn sie nicht elementar sind, dann wahrscheinlich in einer Größenordnung, in der sie sich als Anregung durch die Stringtheorie, als ein Quantenschwarzes Loch, herausstellen.

Modelle zusammengesetzter Standardmodell-Fermionen waren interessant, weil sie das Phänomen der Generationen, der sich wiederholenden Standardmodellfamilien, erklären konnten. Aber die Stringtheorie gibt eine viel natürlichere Erklärung für Generationen, in Bezug auf die Geometrie der Verdichtung. Es gibt keine wirkliche Motivation für den Unterbau, auch wenn die Leute spekulieren.

Die Standard-Mainstream-Antwort ist, sie als Grundlagen zu betrachten. Eine andere Standard-, aber keine Mainstream-Antwort ist, dass wir die hypothetischen Komponenten von Quarks und Leptonen allgemein "Preons" nennen. Die etablierteste – wohl – Preon-Theorie ist die Harari-Shupe-Theorie, die manchmal als „ Rishon-Theorie “ bezeichnet wird, aber es gibt noch andere.

Ohne Preons könnte die Stringtheorie auch eine Antwort sein, aber nicht im Sinne Ihrer Frage; Quarks und Leptonen wären äquivalent zu einigen String-Zuständen, also nicht "aus", sondern "gleich". Ähnlich in der Kaluza-Klein-Theorie: Von den Quarks und Leptonen wird erwartet, dass sie spezielle Zustände der kompaktifizierten Theorie sind. Natürlich ist dies wieder der Mainstream. Theoretiker haben auch Modelle vorgeschlagen, bei denen die Zustände Rishons sind.

Der Mittelweg, Sie könnten die Theorien haben, die vorschlagen, Quarks und Leptonen aus der Geometrie zu erzeugen. Diese Theorien machen sich normalerweise viele Gedanken über die Schwerkraft.

Zuletzt haben Sie die Nicht-Standard-Theorien. Ich selbst habe einen von ihnen, den sBootstrap, und zweifellos werden einige andere Leute beabsichtigen, Ihnen zu antworten, indem sie ihre bevorzugte Theorie vorschlagen.

Lassen Sie mich zunächst betonen, dass niemand genau weiß, was uns erwartet, wenn wir in immer kleineren Abständen (oder bei höheren Energien) die bisher als elementar betrachteten Elementarfelder untersuchen: das Elektron ($e^-$), das Elektron-Neutrino ($\nu_e$), das Up-Quark ($u^{\frac {+2}{3}},$) und das Down-Quark($d^{\frac{-1}{3}}$), zusammen mit ihrer zweiten und dritten Generation, den Massiven$W^{+/-}$und die$Z^0$(die Kraftträger der schwachen Kraft), das Higgs (erklärende Masse) und die hypothetischen superschweren X- und Y-Bosonen , die (nach der Theorie ) dem Proton den Zerfall ermöglichen und eine elektrische Ladung von haben$+\frac{4}{3}$bzw.$+\frac{1}{3}$.

Eine sehr plausible Vermutung ist jedoch in Hararis Rishon - Theorie enthalten (die bereits in einer früheren Antwort erwähnt wurde), die alle Reaktionen zwischen Elementarfeldern erklären kann (mit Ausnahme derjenigen, die das Higgs-Feld betreffen). Mit nur zwei Elementarfeldern, dem T-Rishon und dem V-Rishon, kann eine Preon-Theorie nicht sparsamer werden (es ist unmöglich, die bisher bekannten Elementarfelder aus nur einem Feld zu konstruieren). Das ist sicherlich eleganter als die heute vorherrschende Mannigfaltigkeit von Elementarteilchen. Ich nenne "Eleganz", weil manche Physiker darin ein Argument für neue Ideen sehen (ich übrigens nicht).

Weitere Argumente für diese Theorie:

• Der Zerfall des Protons ist sehr einfach erklärt:

  $uud (=p)→d\bar{d}(= \pi^0) + e^{+}$
  $u + u→ \bar{d}+e^+$
  $TTV+TTV→TVV+TTT$

• Die Theorie besagt, dass die Menge an Materie gleich der Menge an Antimaterie ist

• Nach der Rishon-Theorie ist die schwache Kraft keine fundamentale Kraft, genau wie die "alte" starke Kraft, die einst vom Pion übertragen wurde (zu vergleichen mit dem$W^{+/-}$oder der$Z^0$) stellte sich als Restkraft heraus, und es ist nun bekannt, dass die fundamentale starke Kraft von masselosen Gluonen übertragen wird.

Die Higgs-Felder haben keinen Platz in dieser Theorie, was ein großer Rückschlag zu sein scheint, da sie möglicherweise entdeckt wurden. Es wird gesagt, dass dadurch alle Elementarfelder keine Masse haben werden. Beide Rishons sind masselos, aber wenn sie gebundene Zustände bilden (der einzige Zustand, in dem sie sein können), dann ist vielleicht die Kraft (die durch Hyperfarb-Gluonen übertragene) zwischen ihnen so groß, dass sie es können (trotz der Lichtgeschwindigkeit, die sie reisen mit) bleiben zusammen und bilden riesige Felder. Wenn ja, was tun mit dem Higgs-Feld? Nun, vielleicht können wir in diesem Fall diese Wirtschaftstheorie verwenden, um die Existenz dieses gottverdammten Teilchenfelds zu widerlegen . Wie ich im Kommentar unten geschrieben habe:

Für mich ist der Higgs-Mechanismus ein ziemlich künstliches Konstrukt und daher neige ich dazu zu sagen, dass die Beweise für das Higgs kontaminiert sind. Man kann also die Rishon-Theorie verwenden, um die Existenz des Higgs-Feldes zu widerlegen.

Woraus bestehen Quarks?

Wir wissen nicht, woraus Quarks bestehen, vielleicht haben wir hier einen Tiefpunkt erreicht oder die weitere Struktur muss noch aufgedeckt werden.

Bisher waren die Ergebnisse des LHC bei der Aufdeckung weiterer Strukturen - abgesehen von der Entdeckung des Higgs-Bosons - nicht ermutigend. Vielleicht reicht unsere derzeitige technologische Leistungsfähigkeit einfach nicht aus.

Erinnern Sie sich, dass die klassische Mechanik neu belebt wurde, als Galileo durch ein Teleskop in den Nachthimmel schaute, und die Theorie der Schwarzkörperstrahlung unter Verwendung der damaligen thermodynamischen Theorie von Boltzmann Ergebnisse lieferte, die im Widerspruch zum Experiment standen, und Plancks Einführung der Atomhypothese in die Energie veranlasste, dh die Quantenhypothese.

Vielleicht müssen wir einfach auf weiteren technologischen Einfallsreichtum warten, bevor wir uns mit der Physik jenseits des SM richtig befassen können, und so wie es aussieht, könnte dies eine gewisse Wartezeit sein.

Einer der wichtigsten aktuellen Anwärter auf die Erklärung von Quarks ist jedoch die Stringtheorie; Tatsächlich entstand die Stringtheorie zuerst als eine Theorie der starken Kraft als eine Art Flussröhre, die Quarks verband; Es sollte darauf hingewiesen werden, wie alle großen Praktiker der Theorie warnen, dass diese Theorie hochgradig spekulativ ist, wie man erwarten sollte, wenn wir so weit von einem Regime entfernt sind, das dem Experiment direkt zugänglich ist.