Из чего состоят кварки?

Не могу устоять перед этой цитатой матушки гусыни:

Из чего сделаны маленькие мальчики?

Из чего сделаны маленькие мальчики?

Лягушки и улитки,

И щенячьи хвосты;

Вот из чего сделаны маленькие мальчики.

Из чего сделаны маленькие девочки?

Из чего сделаны маленькие девочки?

Сахар и специи,

И все это хорошо;

Вот из чего сделаны маленькие девочки.

Вы заявляете:

Так атомы образуются из протонов и нейтронов, которые образуются из кварков. и спросите: Но откуда берутся эти кварки? Что их делает?

Откуда мы знаем, что атомы образуются из протонов и нейтронов? У нас есть глубокое неупругое рассеяние , которое показало, что атомы имеют твердое ядро, поэтому они не являются равномерно распределенной материей. Затем у нас есть периодическая таблица элементов, которая хорошо организована с учетом протонов и нейтронов.

Откуда мы знаем, что протоны и нейтроны образуются из кварков? У нас есть результаты кропотливых экспериментов, которые еще раз показали нам, что глубокое неупругое рассеяние показывает жесткое ядро ​​внутри протонов и нейтронов. Изучение продуктов взаимодействия организовало частицы и резонансы в то, что сейчас называется стандартной моделью , группировкой в ​​семейства , которые имеют взаимно однозначное соответствие с гипотезой о том, что адроны (резонансы протонов и нейтронов) состоят из кварков.

Но не только. У них также есть глюоны, которые удерживают кварки вместе из-за сильного взаимодействия, и глюоны были обнаружены экспериментально , опять же в экспериментах по рассеянию.

Вот где мы сейчас находимся. LHC рассеивает протоны на протонах, то есть кварки на кварках, при гораздо более высоких энергиях, чем когда-либо прежде, и мы ждем результатов. Теоретическая интерпретация, называемая Стандартной моделью, столь успешная при более низких энергиях, предполагает, что кварки элементарны. Из-за глюонных обменов трудно понять, как может появиться твердое ядро ​​в кварковом рассеянии кварков, чтобы поднять луковицу на один уровень ниже, т.е. сказать нам, что у кварков есть ядро.

Даже при рассеянии кварков нейтрино глюоны будут мешать, если теория СМ верна при высоких энергиях. На данный момент нет никаких экспериментальных указаний на то, что кварки не являются элементарными.

Однако природа удивляла нас раньше и может сделать это снова, когда в будущем будут разработаны и проведены эксперименты по рассеянию лептонных кварков высоких энергий. Фейнман, я думаю, сказал: «Чтобы увидеть, из чего сделаны часы, не нужно бросать одни часы на другие часы и считать отлетающие шестерни. Нужно взять отвертку». Лептоны с их слабыми взаимодействиями — это эквивалент отвертки.

Кварки, вероятно, не состоят из чего-то более фундаментального. Идея, что все должно быть сделано из чего-то другого, неверна. Свет не состоит ни из чего другого, как и гравитация. То, что у атомов есть внутренние процессы, было очевидно, потому что они электрически нейтральны, и все же рассеивают свет на определенных магических частотах. Нейтроны и протоны выдавали свою неэлементарную структуру из-за своих магнитных моментов и слишком сильного рассеяния на короткие расстояния. Обычно это очевидно, когда частица составная.

С другой стороны, кварки, наряду с электронами, светом, гравитацией, глюонами и W- и Z-бозонами, совершенно элементарны в том смысле, что их взаимодействия хорошо описываются перенормируемой квантовой теорией поля. Если они не элементарны, то, вероятно, в таком масштабе, что обнаруживают возбуждение теории струн, квантовую черную дыру.

Модели составных фермионов стандартной модели были интересны, потому что они могли объяснить феномен поколений, повторяющихся семейств стандартных моделей. Но теория струн дает гораздо более естественное объяснение генерации в терминах геометрии компактификации. Нет никакой реальной мотивации для подструктуры, даже если люди спекулируют.

Стандартный основной ответ — рассматривать их как основы. Другой стандартный, но не общепринятый ответ состоит в том, что мы называем в общем «преонами» гипотетические компоненты кварков и лептонов. Наиболее устоявшейся, возможно, преонной теорией является теория Харари-Шупе, которую иногда называют « теорией ришона », но есть и другие.

Без преонов теория струн также могла бы быть ответом, но не в соответствии с вашим вопросом; кварки и лептоны были бы эквивалентны некоторым состояниям струны, поэтому не «сделаны из», а «такие же, как». Точно так же в теории Калуцы Клейна: ожидается, что кварки и лептоны будут особыми состояниями компактифицированной теории. Конечно, опять же, это мейнстрим. Теоретики также предложили модели, в которых государствами являются ришоны.

Срединный путь — это теории, предлагающие производить кварки и лептоны из геометрии. Эти теории обычно сильно беспокоятся о гравитации.

Наконец, у вас есть нестандартные теории. У меня самого есть одна из них, sBootstrap, и, несомненно, некоторые другие люди захотят ответить вам, предложив свою любимую теорию.

Во-первых, позвольте мне подчеркнуть, что никто не знает наверняка, чего ожидать, когда мы будем исследовать на все меньших и меньших расстояниях (или при более высоких энергиях) до сих пор элементарные рассматриваемые элементарные поля: электрон ($e^-$), электронное нейтрино ($\nu_e$), ап-кварк ($u^{\frac {+2}{3}},$), и даун-кварк ($d^{\frac{-1}{3}}$), вместе с их вторым и третьим поколением, массивным$W^{+/-}$и$Z^0$(переносчики силы слабого взаимодействия), бозон Хиггса (объясняющий массу) и гипотетические сверхтяжелые X- и Y-бозоны , которые (согласно теории ) позволяют протону распадаться и имеют электрический заряд$+\frac{4}{3}$соотв.$+\frac{1}{3}$.

Однако очень правдоподобное предположение содержится в теории Ришона Харари ( которая уже упоминалась в предыдущем ответе), которая может объяснить все реакции между элементарными полями (кроме тех, которые связаны с полем Хиггса). Имея только два элементарных поля, Т-ришон и В-ришон, преонная теория не может стать более экономичной (невозможно сконструировать известные до сих пор элементарные поля только из одного поля). Это, конечно, более изящно, чем преобладающее в наши дни многообразие элементарных частиц. Я называю "изящность" потому, что некоторые физики считают это аргументом в пользу новых идей (я, кстати, нет).

Другие аргументы в пользу этой теории:

• Распад протона объясняется очень просто:

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

• Теория утверждает, что количество материи равно количеству антиматерии.

• Согласно теории Ришона, слабое взаимодействие не является фундаментальным, как и «старое» сильное взаимодействие, которое когда-то считалось передаваемым пионом (для сравнения с$W^{+/-}$или$Z^0$) оказалась остаточной силой, и теперь известно , что фундаментальное сильное взаимодействие передается безмассовыми глюонами.

Полю (полям) Хиггса нет места в этой теории, что кажется серьезным возвратом с тех пор, как они , возможно , были обнаружены. Говорят, что из-за этого все элементарные поля не будут иметь массы. Оба ришона не имеют массы, но когда они образуют связанные состояния (единственное состояние, в котором они могут находиться), тогда, возможно, сила (та, которую передают гиперцветные глюоны) между ними настолько велика, что они могут (несмотря на скорость света, с которой они движутся). с) держатся вместе и образуют массивные поля. Если да, то что делать с полем Хиггса? Что ж, может быть, в таком случае мы сможем использовать эту экономическую теорию, чтобы опровергнуть существование этого проклятого поля частиц. Как я написал в комментарии ниже:

Для меня механизм Хиггса является довольно искусственной конструкцией, и поэтому я склонен сказать, что доказательства существования бозона Хиггса искажены. Таким образом, можно использовать теорию Ришона, чтобы опровергнуть существование поля Хиггса.

Из чего состоят кварки?

Мы не знаем, из чего состоят кварки, может быть, здесь мы коснулись дна или что дальнейшая структура еще не раскрыта.

До сих пор результаты БАК по раскрытию дальнейшей структуры, кроме открытия бозона Хиггса, не были обнадеживающими. Возможно, наши нынешние технологические возможности просто не на должном уровне.

Напомним, что классическая механика оживилась, когда Галилей посмотрел в телескоп на ночное небо, а теория излучения черного тела, основанная на тогдашней термодинамической теории Больцмана, дала результаты, расходившиеся с экспериментом, и подтолкнула Планка к введению атомной гипотезы в энергию, т.е. квантовая гипотеза.

Возможно, нам просто придется подождать дальнейшего технологического изобретательства, прежде чем мы сможем должным образом обратиться к физике за пределами СМ, ​​и, судя по всему, это может занять некоторое время.

Однако одним из главных претендентов на объяснение кварков в настоящее время является теория струн; на самом деле теория струн сначала возникла как теория сильного взаимодействия как своего рода трубки потока, соединяющей кварки; следует отметить, как предупреждают все основные практики теории, что эта теория является в высшей степени спекулятивной, чего и следовало ожидать, когда мы так далеки от режима, непосредственно доступного для эксперимента.