Почему стабильные фундаментальные частицы являются фермионами?

Стандартная модель эволюционировала, чтобы соответствовать измерениям и наблюдениям. Наблюдения занимают аксиоматическое положение в любой модели, предназначенной для соответствия наблюдениям.

Математика позволяет выбирать различные наборы аксиом, превращая теоремы в аксиомы, а бывшие аксиомы доказуемы как теоремы. Подобным образом постулаты , которые связывают подмножество математических отношений для описания измерений, могут быть изменены и заменены новыми, математически более простыми постулатами, но наблюдательные постулаты все еще должны быть доказаны из постулатов. Другими словами, в физической модели всегда есть аксиоматические утверждения, связанные с наблюдениями. Окончательное неочищение луковицы с вопросом «почему» в конце приведет к ответу «потому что это то, что наблюдается».

Таким образом, «почему фундаментальные частицы являются фермионами» касается сохранения барионного числа в качестве подтвержденной гипотезы и наблюдения, что протон имеет спин 1/2, а электрон имеет спин 1/2, и оба они стабильны.

Из этих трех наблюдений/измерений и законов сохранения сложность взаимодействия частиц, начиная с рассеяния протонов, электронов и фотонов, позволила определить количество фундаментальных частиц в таблице :

Законы сохранения, также базовые и аксиоматические из наблюдений, импульса, энергии и углового момента привели к этой таблице, так что математически непротиворечивая модель, стандартная модель, могла бы соответствовать и, таким образом, заключать в себе множество данных.

Таким образом, именно две повседневно стабильные частицы протонов и электронов лежат в основе определения спина всех элементарных частиц в таблице с использованием законов сохранения. Так получилось, что только фотон является стабильным бозоном, но «происходит» — это физическое наблюдение.

Другими словами, мыслители не сидели и не думали : «давайте предположим, что самые стабильные частицы — это фермионы, и посмотрим, соответствует ли это данным, существует ли стабильный мир» . Математическая модель эволюционировала, чтобы соответствовать данным.

Можно ли в принципе построить непротиворечивую модель, в которой стабильными фундаментальными частицами являются бозоны?

Если вы спрашиваете о мире, в котором мы живем, ответ будет отрицательным : потому что стабильность материи, какой мы ее знаем, во многом зависит от принципа запрета Паули , который также является постулатом наблюдения.

В рамках Стандартной модели распад любой частицы в конце концов заканчивается на одних и тех же стабильных фундаментальных частицах, т. е. u- и d-кварках, электроне и нейтрино.

Неправда — цепочки распадов тоже могут заканчиваться стабильными фотонами, а при температурах, достаточно высоких для создания кварк-глюонной плазмы, тоже могут заканчиваться кварками или глюонами. Как правило, частицы распадаются на более легкие частицы, суммарные продукты распада которых имеют одинаковые полные сохраняющиеся квантовые числа цветового заряда, слабого изоспина, электрического заряда, слабого гиперзаряда, барионного числа, числа электронов, числа мюонов и тау-числа. (Осцилляции нейтрино допускают взаимодействия, которые нарушают число электронов, мюонов и тау по отдельности, но сохраняют их общее «лептонное число».)

Подумайте так, что стабильность свойств субатомных частиц в нашем окружении позволяет нам найти вокруг себя такие же условия для жизни. Нож был бы ножом и в Африке, и в Австралии, и на космической станции.

Есть важные моменты:

1. Если бы обмен энергией между субатомными частицами был бы бинарным — значит, существовали бы только фотоны с одним энергетическим содержанием — электроны в атомах были бы только в двух состояниях, возбужденных или нет, и это был бы очень бедный мир. Итак, бозоны — это класс очень важных частиц.
2. Фотоны обладают как осциллирующим электрическим, так и магнитным дипольным моментом. Но только два фотона одинаковой энергии могут находиться в симбиотическом состоянии (группировка фотонов), более крупные кластеры (связанные через их магнитный и электрический дипольные моменты) невозможны.
3. Вышеупомянутая стабильность нашего окружения является только местным свойством. Рядом с конгломератом материи, гораздо большим по отношению к нашему Солнцу, гравитационный потенциал преображает привычный мир. Электронов или протонов больше не существует, только нейтроны. При более высоком гравитационном потенциале нейтронов больше не существует, есть только глюонно-кварковая плазма. В черных дырах — если быть спекулятивным — возможно, даже фотоны плавятся в составных частях.

Что сделала наука, так это классификация найденных элементарных частиц в Стандартную модель и разделение этих частиц на составляющие материи и составляющие обмена (энергии).