¿Por qué no llamamos portadores de fuerza a los fermiones en el modelo estándar?

La situación no es simétrica en absoluto: este diagrama

describe una fuerza entre dos fermiones, pero un diagrama como

simplemente no existe (en el modelo estándar).

Los fermiones pueden, de hecho, mediar una fuerza entre los bosones, como en:

Sin embargo, tales diagramas son diagramas de bucle altamente suprimidos, y el anterior, después de la renormalización, se vería como solo una contribución al vértice de 4 bosones resumido.

Creo que se trata más de la construcción histórica de la teoría que de las interacciones reales. En un lagrangiano, dos campos A, B interactúan cuando hay un término producto de ambos, como AB. Entonces, no veo una distinción fundamental real allí, incluso con expresiones más complicadas.

Pero cuando uno introduce los bosones de interacción, es por medio de teorías de calibre. Básicamente comenzamos con "una partícula" (un campo que describe este tipo de partícula), para lo cual imponemos una simetría local. Para que el Lagrangiano sea invariante, debemos introducir nuevos campos, que son los de los bosones de interacción. (Esa construcción lleva al término para el fotón, la Z, la W)

Si identificamos una fuerza como un proceso de dispersión, es decir, con un mediador de algunas interacciones, entonces, por supuesto, no es necesario que sea un bosón vectorial. Se puede hablar de la fuerza de "Higgs", por ejemplo, si el proceso bajo consideración está mediado por el Higgs (que es un escalar). También hay numerosos casos en los que la interacción está mediada por un fermión. Por lo tanto, no es una situación de uno u otro como parece implicar su pregunta.

Tomemos el siguiente modelo de juguete:

$$\begin{equation} \mathcal{L}_{toy} = \,(\lambda\,\overline{X}\,F\,S +\lambda^\star\overline{F}\,X\,S) + M_X \overline{X} X+ M_F \overline{F} F +\frac{1}{2}M_S^2 S^2\end{equation}$$ Dónde $X$y $F$son fermiones y $S$un escalar real. Se supone que todos los campos son singletes de calibre puro.

Asumiendo el jerarca$M_F\gg M_X \gtrsim M_S$, entonces este lagrangiano conduce a las interacciones$\bar X X \to S S$, que están precisamente mediados por el fermión pesado$F$. La sección transversal escala como (a energías$\sim M_X$):

$$\sigma \sim \frac{|\lambda|^4}{M_F^2}\,.$$

(nota al margen: podemos imaginar que este lagrangiano es una manifestación de baja energía de algún modelo más completo a energías más altas, lo que explicaría la ausencia de algunos términos). La interacción anterior podría ser, por ejemplo, un proceso que conduzca a la producción de materia oscura. en el Universo primitivo).

Con el mismo modelo de juguete, para diferentes jerarquías, podemos tener las interacciones 'estándar' mediadas por el escalar$S$.

Este tipo de procesos están ausentes o suprimidos en el SM, pero más allá son bastante comunes.

¿Por qué no llamamos portadores de fuerza a los fermiones en el modelo estándar?

Porque el Modelo Estándar es el que es. Por cierto, creo que es mucho menos completo de lo que la gente cree, y que viene con un bagaje desafortunado. Considere, por ejemplo, la interacción de un electrón y un positrón . La gente dice que interactúa a través de portadores de fuerza de fotones virtuales:

_{Imagen de CCASA por Manticorp/Rubber Duck, ver Wikipedia}

Pero vea la respuesta de anna aquí y tenga en cuenta esto: "las partículas virtuales existen solo en las matemáticas del modelo" . El electrón y el positrón no se lanzan fotones el uno al otro. Las únicas partículas presentes son el electrón y el positrón. Entonces, en verdad, estos fermiones son los "portadores de fuerza".

Tal vez este sea un problema del huevo y la gallina, pero ¿no podríamos llamar fundamentales a todos los bosones y tratar a los fermiones como portadores de fuerza entre ellos?

Se podría decir que los fotones son "más fundamentales" que otras partículas, ya que se pueden reducir los fermiones a fotones:

_{Crédito de la imagen CSIRO, ver El Big Bang y el Modelo Estándar del Universo}

Pero los fotones interactúan con fotones , y con electrones , y los electrones interactúan con electrones, etc., y los neutrinos son más como fotones que como electrones. Así que no sería correcto tratar a los fermiones como portadores de fuerza entre bosones.

EDITAR: Después de todo, nunca vemos los estados asintóticos de los diagramas de Feynman a nivel de árbol. Solo podemos medir un electrón si interactúa nuevamente con nuestro aparato de medición, produciendo un fotón...

No olvide las huellas de electrones y positrones en un campo magnético. O que los diagramas de Feynman no deben tomarse literalmente .

EDIT2: Todavía no estoy satisfecho con las respuestas. Los fermiones siempre aparecen hasta el orden cuadrático en el Lagrangiano del Modelo Estándar. Podríamos integrarlos fácilmente en la integral de Path y describir nuestro mundo únicamente con bosones que interactúan.

Suena como un plan. Después de todo, ¿qué hace realmente la producción de parejas? Recuerde que en los orbitales atómicos , los electrones "existen como ondas estacionarias". ¿Cómo crees que existen fuera de un orbital? Con el giro del electrón y el momento magnético y el efecto de Einstein de Haas y el vector de Poynting , y la naturaleza ondulatoria de la materia y la onda en la caja , no es necesario ser el cerebro de Gran Bretaña para darse cuenta de que el electrón es solo un fotón de 511 keV en un camino de espinor quiral cerrado. Y que los electrones y los positrones interactúan de la forma en que lo hacen debido a la forma en que son: