¿Por qué se considera que los muones son partículas elementales en el modelo estándar?

Que una partícula se desintegre en otras partículas es completamente distinto de que tenga subestructura/sea fundamental o compuesto.

Algunos ejemplos: un fotón de alta energía puede "descomponerse" en un electrón y un positrón en presencia de otro objeto que toma el exceso de impulso. Eso no significa que un fotón sea un compuesto de electrón y positrón. Un neutrón libre se descompone en un protón, un electrón y un antineutrino electrónico con una vida media de 10 minutos, pero es un estado compuesto de tres quarks .

Estar constituido por otras partículas significa ser un estado ligado de estas partículas. Los procesos de la teoría cuántica de campos no tienen problemas para convertir un tipo de partículas en otros tipos de partículas (sujeto a ciertas reglas, por supuesto), pero este tipo de proceso no implica que los resultados realmente constituyan la entrada. De ninguna manera significativa es un fotón un estado ligado de electrón y positrón, de ninguna manera significativa es un neutrón un estado ligado de protón y electrón, y de ninguna manera significativa es un muón un estado ligado de un electrón y neutrinos.

Abordar conceptos erróneos

Primero, abordo algunos conceptos erróneos en su pregunta.

el decaimiento indica que el muón puede ser solo una partícula compuesta

El hecho de que el muón se desintegre no es evidencia de que sea compuesto. Es tentador decir que si una partícula$A$puede decaer en$B$y$C$, entonces debe estar "hecho de"$B$y$C$. Sin embargo, esto no funciona, porque casi todas las partículas tienen múltiples canales de descomposición. Por ejemplo, el hidrógeno en el$2s$estado puede liberar un fotón para ir a la$1s$estado, pero también rara vez puede hacer esto mediante la liberación de dos fotones. Como ejemplo más extremo, el parapositronio puede aniquilarse por completo, convirtiéndose en dos fotones, pero también puede convertirse en cuatro .

Pensamos en la descomposición de partículas en términos de acoplamientos de campos cuánticos entre sí: una excitación en un campo puede decaer en excitaciones en otros. Como dijo Feynman, esas excitaciones finales no existen "dentro" de la original, como tampoco la palabra "gato" rebota dentro de ti porque puedes gastar energía para decirla.

En ese punto, parece que los electrones pueden no ser fundamentales después de todo: https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160404111559.htm

Este artículo trata sobre algunas de las formas extrañas en que grandes colecciones de electrones en sólidos pueden comportarse colectivamente, pero no está relacionado con si los electrones en sí mismos son compuestos o no. Es importante tener esto en cuenta al leer comunicados de prensa, porque las personas que estudian lo que hacen los electrones en los sólidos desafortunadamente tienden a dar a los fenómenos resultantes los mismos nombres que las partículas que buscamos en los colisionadores, lo que genera mucha confusión popular.

respondiendo la pregunta

Con eso en mente, todavía tienes razón, en el sentido de que es completamente natural pensar que el muón podría ser compuesto. Si fueras un científico en la década de 1950, por ejemplo, el muón sería solo una partícula más descubierta junto con un zoológico de mesones y hadrones. Hoy sabemos que todos esos mesones y hadrones resultaron ser compuestos de quarks. Entonces, ¿por qué no pensar en el muón como compuesto también?

De hecho, en los primeros días, la similitud del muón y el electrón se tomó como posible evidencia de que el muón era un estado excitado del electrón, al igual que el$2s$estado es un estado excitado de hidrógeno. Si este fuera el caso, uno esperaría que el muón a menudo se desintegre emitiendo un fotón,$\mu \to e \gamma$, pero se encontró que este no era el caso . En cambio, dominan las desintegraciones que involucran a los neutrinos.

Ahora podría preguntarse, ¿por qué el muón no puede ser un compuesto del electrón unido a algunos neutrinos? Esta idea no funciona porque no conocemos ninguna fuerza que pudiera hacer el trabajo: incluso en la década de 1950 se sabía que los neutrinos interactuaban de manera extremadamente débil. Lograr que un neutrino interactúe con un electrón es menos probable que ganar la lotería, por lo que parece extremadamente improbable que sea posible unirlos simultáneamente.

Otra dificultad de cualquier teoría del muón compuesto es explicar el factor g del muón , que determina su momento magnético. Se espera que las partículas elementales tengan$g \approx 2$. El protón y el neutrón compuestos violan esto por un buen margen,

$$g_p \approx 5.59, \quad g_n \approx -3.82$$ mientras que el electrón y el muón tienen $$g_e \approx 2.002, \quad g_\mu \approx 2.002.$$ Que$0.002$tampoco es evidencia de composición, porque es precisamente lo que esperaría de una partícula perfectamente elemental, una vez que incluye los efectos teóricos del campo cuántico. De hecho, el electrón y el muón$g$-Los factores se han medido con muchos más lugares decimales de los que he mostrado, y los resultados coinciden con la predicción del modelo estándar con gran precisión. Hacer el compuesto de electrones y muones sin alterar este acuerdo parecería requerir un modelo seriamente inventado, o un milagro.

Una meta-dificultad

Estas ya son grandes dificultades, pero si te imaginas siendo un científico en la década de 1950, el modelo de quarks tenía sus propios problemas (como la no observabilidad total de los quarks individuales), pero ganó apoyo debido a su capacidad para dar cuenta de una gran cantidad de hadrones. y predecir otros nuevos. Y hoy en día, la gente considera teorías en las que el bosón de Higgs es compuesto, porque ayuda a darle una masa adecuada.

La meta-dificultad para el muón es que solo vale la pena intentar hacerlo compuesto si esperas algún beneficio, como (1) la finalización de una imagen teórica, (2) nuevas predicciones o (3) formas de calcular cantidades. (como la masa de muones) que de otro modo tendríamos que tomar como entradas.

La primera razón no se aplica, porque el muón ya tiene un lugar perfecto en el Modelo Estándar: tiene que estar ahí debido a la estructura familiar de la teoría, y esta estructura es lo suficientemente rígida como para que sin el muón, el Modelo Estándar sería matemáticamente inconsistente debido a las anomalías de calibre .

La segunda razón tampoco se aplica. No es como si tuviéramos una serie de partículas extrañas por ahí que podrían explicarse como compuestos adicionales del electrón. Y dado que hemos medido las propiedades del muón con una precisión exquisita, ¡casi cualquier teoría de la composición del muón hará "predicciones" que ya sabemos que son incorrectas! Tienes que trabajar muy duro para evitar eso. (Es cierto que el muón$g$-factor parece desviarse un poco del valor predicho, y esto recibe atención, es solo que la composición no es el tipo de cosa que ayudaría aquí).

La tercera razón podría aplicarse potencialmente. Sin embargo, explicar las masas de partículas como el electrón y el muón es un problema infamemente difícil, incluso si no las tomas como compuestas. Ciertamente, las cabezas se volverían si se te ocurriera una teoría simple que diera la proporción de masa muón-electrón a muchos lugares decimales, pero décadas de intentos fallidos han hecho que esto parezca poco probable.

Si simplemente ignorara estas razones e hiciera un modelo artificial en el que el muón fuera compuesto, ajustando todas las constantes involucradas a los valores precisos necesarios para ocultar todas las desviaciones del modelo estándar, entonces "funcionaría"... pero también ser científicamente inútil.

Por supuesto, también es completamente posible que los muones resulten ser no elementales, ¡porque en la ciencia es imposible demostrar que es negativo! Por el momento, esta posibilidad no está bajo investigación activa. Pero tampoco es herejía. Si en el futuro aparecen resultados experimentales lo suficientemente extraños, los científicos podrían volver a jugar con electrones y muones compuestos, haciendo todo lo posible para comprender los resultados y el universo.

El mejor lugar para buscar evidencia de que la descomposición no es igual a la composición es en la creación de partículas . Porque si la descomposición significara composición, entonces la creación requeriría que reunieras los constituyentes.

Cuando golpeas dos nucleones a una energía lo suficientemente alta, sale mucha basura. Parte de esa basura son pares de leptones partícula-antipartícula, y muchos de ellos surgen de interacciones como

$$q + \bar{q} \to l^- + l^+ \,.$$ Este proceso se llama "Drell-Yan". Los leptones pueden ser electrones, muones o tauones. Obtener muones es experimentalmente muy útil, por lo que este proceso a veces se usa como una prueba de la estructura del mar de nucleones. (Cuando pones protones sobre protones, los antiquarks tienen que venir del mar ya que el contenido de valencia es todo quark).

Si tiene una máquina de electrones-positrones a alta energía (es decir, el SLC o LEP fuera de servicio), también puede hacer

$$e^- + e^+ \to l^- + l^+ \,,$$ con matemáticas similares.

Ahora, a energías muy por encima$2m_\mu c^2$, la velocidad para producir pares de electrones y la de producir pares de muones es la misma, lo que no sería el caso si uno fuera elemental y el otro compuesto (si los muones fueran compuestos, la posibilidad de tener los bits correctos presentes contribuiría a la tasa de producción por lo que la tasa sería más baja). Además, la tasa está de acuerdo con las predicciones ab initio de QED para los leptones fundamentales. Tomemos un momento para recordar que QED ofrece el mejor acuerdo único entre teoría y experimento en física (el g-2 del electrón).

Además, hay muchas otras predicciones interesantes de QED sobre los muones (por ejemplo, el muón g-2, que es una combinación de teoría y experimento casi tan buena como la de los electrones).

Esta es la tabla de partículas elementales del modelo estándar de física de partículas.

Tenga en cuenta que no es solo el muón el que se desintegra, sino también el tau y el Z, W y Higgs.

Se llaman elementales porque son los componentes básicos del Modelo Estándar; construyendo todas las demás partículas y controlando las interacciones en el micromundo donde la mecánica cuántica es necesaria para calcular y predecir el comportamiento de las partículas, usando el Modelo Estándar.

Las caries no son una indicación única de la existencia de una subestructura. La subestructura se investiga en experimentos de dispersión ajustados con las funciones del modelo estándar. Las partículas elementales de la tabla se denominan partículas puntuales porque no tienen una subestructura como hipótesis del modelo, y el modelo se valida continuamente, es decir, no ha sido falsificado. Como muestra el diagrama proporcionado por @Statics, hay un punto vértice en la débil desintegración del muón (como también de la tau y la Z y la W). Todas las partículas de la tabla se consideran partículas puntuales cuando interactúan. No hay espacio para los electores.

Las teorías de cuerdas tienen como objetivo extender el modelo estándar, describir partículas elementales como cuerdas, pero este es un tema de investigación, y aún no hay constituyentes en la representación de cuerdas de una partícula.

Adición después de más recordar.

¿Cómo se estableció la composición del núcleo de los átomos? Por el famoso experimento de Rutherford que mostró una dispersión inelástica profunda.

Los mismos experimentos de dispersión a energías más altas mostraron una profunda dispersión inelástica en los protones, estableciendo la existencia de quarks y gluones.

En general, los experimentos de dispersión establecieron los factores de forma de los objetivos, la "forma" en el espacio y el espacio de energía/momento de los objetivos, consulte la figura 11 aquí . Que el protón y el neutrón no eran partículas puntuales se estableció mucho antes del descubrimiento del contenido de quarks, y Feynman había propuesto su modelo parton para modelar los datos. Los experimentos mostraron desviaciones del modelo parton que establecía la dispersión fuerte en los centros de dispersión por los llamados datos p_t altos.

No ha aparecido tal estructura para el electrón dentro del rango de energía de nuestros experimentos, su punto de tamaño como dentro$10^{-18}$metros, y su forma esférica con gran precisión. .

Las simetrías en el modelo estándar de física se utilizan luego para postular una estructura similar a un punto para las partículas elementales en la tabla. Por el momento, el éxito del modelo estándar en la descripción de los datos experimentales no deja espacio para la composición de las partículas elementales. Si existe, se deben alcanzar energías mucho más altas en nuestros experimentos para descubrirlo.

El muón no es una partícula compuesta. El hecho de que pueda decaer está relacionado con la interacción débil, siendo posible debido a la existencia de$W/Z$-bosones. El muón puede decaer en neutrino y electrón ya que su masa en reposo es mayor que la de un electrón. Dado que no hay otro leptón cargado con una masa inferior a la de un electrón, el electrón no puede descomponerse en nada por sí mismo.

De todos los miles de experimentos, sabemos que un muón tiene prácticamente las mismas propiedades que un electrón y, por lo tanto, puede considerarse un leptón. Los leptones no son partículas compuestas de nada, no unen neutrinos y electrones. No existe una fuerza conocida que describa tales ataduras.