Как могут нестабильные частицы стандартной модели считаться самостоятельными частицами, если они сразу распадаются на стабильные частицы?

Возьмем, к примеру, электрон и мюон. Мюон нестабилен, потому что он распадается на электрон и два нейтрино примерно за 2 секунды.$\mu$с. Но мюон в некотором смысле не является возбужденным электроном. Обе частицы являются возбуждениями в квантовом поле, и они обе столь же фундаментальны, как и друг друга. Электрон стабилен только потому, что не существует комбинации более легких частиц, на которые он мог бы распасться, сохраняя при этом полный заряд электрона.$-e$и общий спин$\tfrac{1}{2}$.

Распадется частица или нет, зависит от того, есть ли более легкие частицы, на которые она может распасться. Мюон весит около 105,7 МэВ, а электрон — около 0,511 МэВ. Таким образом, мюон может превратиться в электрон, и у него останется 105,2 Мэв, чтобы пойти на два нейтрино и кинетическую энергию всех частиц. Электрон не может превратиться в мюон, если он не найдет откуда-то дополнительные 105,2 МэВ. Если мы обеспечим дополнительную энергию, например, в коллайдере LEP , то электроны могут и действительно «распадаются» на мюоны.

Как могут нестабильные частицы стандартной модели считаться самостоятельными частицами, если они сразу распадаются на стабильные частицы?

Здесь я буду рассматривать только элементарные несоставные частицы. Все адронные резонансы являются составными частицами комбинаций кварк-антикварк, а также нейтрона.

Стандартная модель физики элементарных частиц имеет относительно небольшое количество элементарных точечных (0-мерных) частиц и представляет собой модель большого количества наблюдений, инкапсулированных в их простейшей форме.

Стандартная модель элементарных частиц (более схематичное изображение) с тремя поколениями материи, калибровочными бозонами в четвертом столбце и бозоном Хиггса в пятом.

Эта модель включает групповую симметрию ( SU(3)xSU(2)xU(1) ), которая идентифицирует ее. Основная гипотеза состоит в том, что при больших энергиях симметрия не нарушается, т. е. не существует поля Хиггса, придающего массы частицам, входящим в таблицу, и, таким образом, при этих энергиях все эти частицы стабильны, поскольку не может быть более низкого энергетического состояния. на которые они могут распасться. Они существуют отдельно в групповых симметриях из-за квантовых чисел, которые дают уникальную нишу для каждой частицы.

После того, как электрослабая симметрия нарушается примерно при 246 ГэВ и ниже, ожидаемом значении вакуума Хиггса, частицы приобретают массы, которые мы измерили в лаборатории, и композиты демонстрируют прекрасные групповые представления , которые с самого начала дали начало стандартной модели.

Неспециалисту вроде меня может показаться, что эти более тяжелые нестабильные частицы — просто временное взаимодействие стабильных форм.

Стандартная модель говорит, что нестабильные частицы являются артефактом низкой энергии, при которой их наблюдают, при достаточно высоких энергиях они перестают быть нестабильными, потому что имеют нулевую массу.

На разработку стандартной модели ушли годы. Когда я начинал в 1963 году, в моде были разные модели (четыре ферми-взаимодействия, доминирование векторных мезонов, полюса Редже, восьмеричный путь), которые по мере накопления данных постепенно трансформировались в стандартную модель. Именно различные квантовые числа, сохраняющиеся при различных взаимодействиях, дают наблюдаемые конкретные групповые структуры и, наконец, таблицу частиц.

Интересно отметить, однако, что теории струн, которые могут включать в себя стандартную модель физики элементарных частиц, постулируют один вид «частиц» вместо точки, одномерную струну, где частицы представляют собой колебательные уровни струны, которые отображают стандартные групповые представления модели.

Я думаю, что самым прямым ответом на это будет тот факт, что более тяжелая частица может распадаться на множество различных более легких частиц для различных реакций. Частота встречаемости этих отношений постоянна. Опять же, одна и та же тяжелая частица может быть создана в нескольких типах столкновений различных более легких частиц. Таким образом, мы не можем сказать, что более тяжелая частица является просто «составной частицей».

Хотя некоторые частицы этой категории, о которых вы упомянули, есть. Например, «составные фермионы», которые являются связанным состоянием электрона и квантов потока. Но не все.

Сразу не совсем верно, есть какая-то соразмерность.

Извините, я не отвечаю прямо о «стандартной модели», это кварки и лептоны. Но они будут соответствовать общей схеме, вот увидите. Позвольте мне сначала рассмотреть все «частицы», перечисленные в файле группы данных частиц.

Большинство частиц, распадающихся с помощью фотонов, имеют период полураспада, примерно обратный кубу их массы, умноженной на константу.

Большинство частиц, распадающихся через бета-распад, имеют период полураспада, примерно обратный пятой степени их массы, а время является постоянной величиной.

Смотрите здесь картинку. По горизонтали — масса, по вертикали — ширина распада, примерно обратная периоду полураспада.

Нейтрон намного более стабилен, поэтому он здесь не изображен, тогда он внизу на графике.

«Резонансы» и «возбужденные состояния» находятся в огромном сгустке с очень маленьким временем жизни или большой шириной распада. Так что даже если W, Z или волчок затухают быстрее любого резонанса, они затухают достаточно медленно по сравнению с его массой. Тем не менее, даже резонанс более устойчив, чем обратная его масса,$t_{1/2} > \hbar / mc^2$, серая линия вверху на рисунке

Даже для бозона Хиггса (ширина распада еще не была измерена непосредственно, как и для Ипсилон 1, 2 и 3, но в любом случае мы можем предположить или рассчитать их) вы можете видеть, что он достаточно стабилен по сравнению с его массой. Кроме того, есть еще некоторые неизмеряемые возбужденные состояния Bs, которые должны быть между двумя линиями, и, похоже, им не будет присвоено имя, будет только Bs*. Так что это что-то вроде эмпирического правила, но оно выглядит приемлемым, когда вы рисуете все. Забавно, что в большинстве учебников нет места для такого красивого логарифмического графика.

Итак, в конце концов, что насчет фермионов стандартной модели? Ну, так как сохраняется заряд, а случайно еще барионное и лептонное число, они распадаются только через слабое взаимодействие. На самом деле вы можете увидеть «му» точно в нижнем углу графика, а воображаемый$m^5$линия, пересекающая его, также пересечет тау-лептон. Таким образом, все они более стабильны, чем желтая линия на графике, за исключением верхней, которая находится посередине между ними из-за восстановления электрослабой симметрии. Итак, для фермионов, что касается W и Z и Хиггса, они также соответствуют интуитивной шкале. Скажем так, все они более «фундаментальны», и мы, безусловно, считали бы их самостоятельными частицами, даже если бы они не были такими стабильными, как они есть. Но они очень стабильны.

Как могут нестабильные частицы стандартной модели считаться самостоятельными частицами, если они сразу распадаются на стабильные частицы?

Ни у кого нет проблемы с тем, чтобы назвать электрон частицей. То же самое для нейтрона. Он стабилен в ядре, и тот факт, что свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут , не имеет большого значения. Это похоже на мюон, который длится пару микросекунд , потому что в физике элементарных частиц это довольно много времени. Мюоны оставляют следы , как и другие нестабильные частицы. И поскольку мы можем видеть эти следы, я не думаю, что у многих есть проблемы с тем, чтобы назвать их частицами.

Все становится интереснее, когда мы переходим к короткоживущим барионам , где вы слышите слово «резонанс». Боюсь сказать, я всегда думаю о гнусавой линейке, когда слышу такое. Что-то недолговечное, это скорее действие или событие, чем вещь. В частности, когда речь идет о Z-бозоне , который существует примерно 3 x 10$^{-25}$секунды. На самом деле никто не видел Z-бозон или трек. Предполагается его существование. То же самое и с некоторыми другими частицами : «Эксперименты не обнаруживают бозон Хиггса напрямую — вместо этого его существование делается путем изучения частиц, оставшихся после его распада» .

Неспециалисту, такому как я, может показаться, что эти более тяжелые нестабильные частицы представляют собой просто временное взаимодействие стабильных форм.

Я полагаю, что физики элементарных частиц называют их частицами, и все остальные соглашаются с этим. Но, может быть, кто-то вроде anna v может дать лучший ответ.

Ваш вопрос интересен тем, что он связан с понятием элементарной частицы. Как упомянула Анна В, элементарные частицы (фермионы) стандартной модели обладают очень специфическими свойствами при симметрии стандартной модели ($SU(2)_L\times U(1)_Y \times SU(3)_c$): они лежат в фундаментальном представлении группы, что на привычном языке означает, что они являются строительным блоком всех других частиц (барионов, мезонов и т. д.). Это определение не означает, что элементарные частицы обязательно стабильны. Электрон, мюон и тау (3 элементарные частицы, лептоны) обладают точно таким же свойством при преобразовании группы симметрии. Ничто не отличает одних от других, кроме их массы. Более тяжелые частицы могут распадаться на более легкие.

Ваш вопрос кажется довольно общим, но, возможно, вы не понимаете, что такое «распад». Когда мы говорим что-то «распадается», мы не всегда имеем в виду, что оно каким-то образом «распадается» на составные части. На самом деле, мы почти никогда не делаем. Более тяжелые частицы на самом деле не являются «преходящим взаимодействием стабильных форм», если только я не ошибаюсь, и говорить об этом не имеет смысла.