¿Se pueden considerar los quarks reales y elementales?

En nuestras teorías actuales, todos los hadrones están formados por quarks y gluones.

Esta visión reduce considerablemente la gran familia de hadrones al proporcionar una estructura muy lógica en la que todos los valores de las propiedades cuánticas de los hadrones se originan a partir de las propiedades cuánticas de los quarks de valencia. Pero dado que no se pueden observar aislados, en el sentido en que pueden serlo los electrones o los positrones, la teoría asume que el confinamiento del color es solo una parte del juego.

Sin embargo, los cálculos reales de QCD utilizan una vista en la que los quarks y los gluones se distribuyen en un volumen de espacio-tiempo, que es necesario para describir gran parte de los ricos fenómenos de la física de alta energía.

Pero todo esto me hace preguntarme:

¿Son los quarks reales y elementales? Quiero decir, ¿hay más evidencia que respalde que son más que un modelo que funciona?

Dado que la materia hadrónica no puede dividirse en partes más pequeñas que el hadrón más pequeño, ¿ no podría explicarse también la realidad mediante un modelo en el que todos los hadrones observables son los elementales, que siguen reglas para transformarse en otros, etc.?

Por cierto, esta última idea ya fue presentada por Hagedorn en su famosísimo y conocido paper, donde al final intenta darle un punto de vista filosófico a su modelo, así que me pregunto por qué se descartó.

Creo que, en el fondo, esto es más una cuestión de filosofía (piense, por ejemplo, en la navaja de Occam) que de ciencia real (verificable experimentalmente). Los físicos suelen preferir tener menos partículas fundamentales que todavía logren explicar todos los datos.
¿Puedes dar un ejemplo de una teoría física que sea más que "un modelo que funcione" ? (Creo que no puedes, y no estoy seguro de cuál es el contenido físico de esta pregunta)
Sí, @Danu, y en realidad estoy interesado en el aspecto físico y la evidencia sólida que respalda el modelo estándar. Podría dar pistas sobre su debilidad y proporcionar pistas sobre cuál podría ser el camino más allá del modelo estándar. Pregunto porque no estoy familiarizado con las publicaciones sobre esta área.
@ACuriousMind, la Relatividad General es más que un modelo que funciona, parte de muy pocas suposiciones sobre la naturaleza del espacio y el tiempo, y obtiene una gran cantidad de conclusiones y fenómenos verificados experimentalmente que antes no tenían relación o explicación; requiere un conocimiento mínimo de los medibles; y todo esto sustenta a mi juicio, la concepción del tiempo y el espacio como un ente con propiedades como algo más que una conceptualización.
¿Hay una compensación? Por ejemplo, ¿el plasma de gluones de quarks es más fácil de modelar con quarks como elementales y más difícil con hadrones como elementales? Y estoy acostumbrado a que los gluones también sean importantes. Toda la charla sobre quarks versus hadrones me hace pensar que nos estamos perdiendo los qluones. Y dado que los hadrones son fermiones, a primera vista parece que nos falta algo solo con los hadrones. Sin embargo, luego pienso en ( dx.doi.org/10.1016/j.shpsb.2004.11.005 ) "¿Son todas las partículas reales?" por Sheldon Goldstein et. Alabama. y darnos cuenta de que podemos prescindir de los hadrones y los quarks y los gluones también si realmente queremos
@dmckee, los candidatos duplicados son muy diferentes, uno pregunta por la naturaleza ontológica de las partículas elementales y el otro simplemente pregunta si el modelo estándar podría ser falso. Me doy cuenta de que una teoría no puede ser más verdadera o falsa, sino más aplicable o no a los fenómenos conocidos, y sigue siendo siempre útil para el ámbito en el que nació. Entonces, mi pregunta es pedir directamente evidencia física sólida que respalde la teoría, además de los elementos mencionados. Y cito el artículo de Hagedorns como referencia, sin intención de validar su veracidad en función de lo conocido que es.
"no se podría explicar la realidad" : probablemente sea imposible explicar la realidad, pero es posible modelar la realidad hasta cierto punto y eso es más o menos lo que es la física .
@AlfredCentauri La explicación es esencial para una buena física. Puede hacer un modelo en el que sus retrodicciones de resultados pasados ​​no estén lógicamente relacionadas con sus predicciones. Si sus predicciones son falsificables, técnicamente sigue siendo ciencia. Pero si sus predicciones son completamente aleatorias y no están relacionadas con sus retrodicciones, entonces su teoría no explica nada y es mala ciencia, incluso si sus predicciones resultan ser correctas como un generador de números aleatorios que escribe Hamlet. La explicación es siempre esencial para la buena ciencia.
@Timaeus, creo que estás tratando de leer mal mi comentario en lugar de tratar de entenderlo.
@AlfredCentauri No traté de leerlo mal, pero es posible que lo haya leído mal. En cuyo caso, otros también podrían malinterpretarlo de la misma manera. En cuyo caso, mi respuesta y luego su respuesta a la mía podrían ser útiles para futuros visitantes del sitio. Pero todavía no estoy seguro de lo que estabas diciendo. El objetivo de la física es explicar además de modelar y es por eso que algunos modelos son objetivamente mejores que otros incluso antes de que se prueben sus predicciones. Y esta pregunta es exactamente sobre estos temas.
@Timeo, explique , por ejemplo, el electrón (o el campo de electrones). Claro, uno puede identificarlo y caracterizarlo pero, asumiendo que el electrón es fundamental, no se puede explicar en principio, simplemente es . Si uno pudiera explicar el electrón en términos de cosas 'más' fundamentales , el electrón no sería fundamental. Esta es la naturaleza de la física fundamental.
@AlfredCentauri, incluso si el electrón es fundamental, como creemos hoy, puede explicarse de manera más fundamental, porque nuestra comprensión de qué es un electrón y de dónde provienen sus propiedades fundamentales podría, en principio, tener una explicación más sólida. Durante muchos años hemos dejado de describirlo como una partícula, y ciertamente no podemos decir que es solo una onda, por lo que actualmente no podemos proporcionar una imagen mental de lo que es. Me refiero a un cuadro donde lo que es genera las reglas de cómo se comporta. Así que hay espacio allí para aumentar nuestra comprensión.
@mhleo, su primera oración es incoherente, es analíticamente falsa.
@AlfredCentauri queda claro si lees el resto del comentario. Tal vez algunas citas habrían aclarado el mensaje. El punto es que tener el electrón como una partícula elemental en la forma en que lo tenemos hoy, aún deja espacio para mejorar la teoría. Por lo tanto, puede concebirse en términos más fundamentales. Creo que el trabajo de la física va más allá de caracterizar e identificar, también implica conceptualizar en términos cada vez más simples pero más poderosos los fenómenos observados.
@mhleo, leí el resto del comentario y la primera oración sigue siendo analíticamente falsa. Estás usando la palabra fundamental para significar algo más que fundamental (como en primario ). Esto recuerda el uso descuidado de la palabra "Universo", que debería usarse para referirse a todo lo que hay, hubo y habrá, pero, evidentemente, algunos lo usan de manera diferente. El problema es que, si usa la palabra fundamental para referirse a lo que dice, ¿cuál es la palabra que debe usar para algo que es genuinamente fundamental?

Respuestas (4)

Como se menciona en el OP, los quarks simplifican enormemente la teoría de los hadrones, como lo hicieron los átomos con la química, y a pesar del confinamiento, Friedman, Kendall y Taylor, quienes recibieron el premio Nobel por ello en 1990 , también realizaron experimentos similares a los de Rutherford: " inesperadamente grande la cantidad de electrones que se dispersaron en ángulos grandes proporcionó una evidencia clara de los constituyentes puntuales dentro de los nucleones. Ahora se entiende que estos constituyentes son quarks " .

Pero, ¿aún se puede considerar que los quarks no existen? Técnicamente, sí. Esta es la respuesta que dio Mach acerca de los átomos en el siglo XIX: son solo ficciones, y la teoría se puede reorganizar de una manera que los elimine, por ejemplo, conectando solo cantidades medibles entre sí, y puramente matemáticamente (Mach y un el destacado químico Ostwald incluso se negó a mencionar los átomos en sus trabajos posteriores a 1870). Esto siguió siendo cierto incluso después de los experimentos de Rutherford, y sigue siendo cierto hoy en día a pesar de la tecnología que (ostensiblemente) " permite que se tomen imágenes, se dividan y se rompan ". De hecho, uno puede incluso eliminar los objetos cotidianos y reducirlo todo a sensaciones, como sugirieron algunos positivistas. Pero hacerlo hará que la teoría sea muy poco atractiva.

Por supuesto, también puede ser al revés: a finales del siglo XIX el éter era un elemento sólido de la realidad. Algunos incluso esperaban una teoría del todo, como Michelson en 1902, véase Quantum Generations de Kragh, p. 4 :

" No parece lejano el día en que las líneas convergentes de muchas regiones aparentemente remotas del pensamiento se encuentren... Entonces la naturaleza de los átomos, y las fuerzas puestas en juego en su unión química... la explicación de la cohesión, elasticidad, y la gravitación: todo esto se agrupará en un solo cuerpo compacto y consistente de conocimiento científico... una de las más grandiosas generalizaciones de la ciencia moderna... que todos los fenómenos del universo físico son solo manifestaciones diferentes de los diversos modos de movimiento. de una sustancia omnipresente: el éter " .

Y entonces el éter ya no existía. Pero eso no sucede muy a menudo.

pero ¿los quarks son realmente elementales? ¿El concepto de partícula es relevante a esta escala?
@igael Es difícil decir qué significa "realmente elemental" en un sentido absoluto, históricamente solo hay elemental dentro de una teoría. Los átomos eran elementales en la química clásica, se dividieron en núcleo y electrones en la física atómica, luego los nucleones se dividieron en quarks en el modelo estándar, si la teoría de cuerdas funciona, todas las "partículas elementales" de SM serán solo "diferentes manifestaciones de los diversos modos de movimiento de" un tipo de objetos, las cuerdas. La "elementalidad" se mantiene solo hasta un umbral de energía donde se mantiene una teoría, más allá de ese umbral hay otra capa.
¡El éter sigue vivo! Es el tema de la teoría M.
@AndrewSteane Más o menos. Einstein también pensó que el éter vive como el espacio-tiempo físico de GR, y Dirac, como el vacío cuántico de QED, consulte Interpretaciones no estándar en la física moderna .
@Conifold bueno, el éter se ha metamorfoseado y nació de nuevo como energía oscura, que es una panacea de moda para todo tipo de problemas que tienen los cosmólogos.
@MadMax No realmente. Se suponía que el éter unificaría las teorías de toda la materia y las interacciones. La energía oscura no tiene nada que ver con el electromagnetismo o las fuerzas nucleares, es solo un término de corrección para las ecuaciones de gravedad, la constante cosmológica de Einstein con el signo invertido en los modelos más simples.
@Conifold, estoy enfatizando la similitud (en lugar de una contraparte directa) cuando las personas atan su esperanza a algo en terrenos inestables. Otro ejemplo: un gobierno orwelliano de hermano mayor para solucionar todo malestar social.
@Conifold, y las fluctuaciones cuánticas de los campos ("electromagnetismo o fuerzas nucleares" por igual) supuestamente contribuyen a la energía del vacío/oscura. Así que no hay escapatoria de DE (el milagro SUSY también se estropea por la ruptura de la simetría EW, ¿verdad?). En cuanto a la cuestión del "signo", es posible que desee comprobar el reciente alboroto "swampland".

Lo que propones se llama democracia nuclear , y fue muy popular en los días previos a que surgiera el modelo estándar. Vea también la discusión en http://www.physicsoverflow.org/22971 , donde puede leer sobre (entre otros) mi punto de vista actual.

Si se conserva como un quark y se dispersa como un quark, entonces es un quark.

"Una cantidad inesperadamente grande de electrones que se dispersaron en grandes ángulos proporcionó una evidencia clara de los constituyentes puntuales dentro de los nucleones. Ahora se entiende que estos constituyentes son quarks".

Fórmula exacta: no prueba que existan los quarks, sino constituyentes puntuales dentro de los nucleones, que ahora se entienden como quarks. Lógicamente perfecto :)

En mi opinión personal, la cuestión de las partículas elementales/compuestas es la más importante, y la idea de la democracia nuclear fue la raíz del problema.

La democracia nuclear sugirió que todas las partículas en Particle Zoo son elementales, lo que significa que no están formadas unas por otras . Esa es una visión normal para los físicos de esa época y una visión muy extraña para los químicos. El físico tiende a imaginar las partículas como puntos, y el químico tiende a imaginar las partículas como elementos, compuestos de elementos y reacciones. Antecedentes bastante diferentes: los físicos de esa época no tenían experiencia en la clasificación de partículas y reacciones y los químicos tenían esa experiencia durante siglos, ya que es una clave en química.

Esa democracia nuclear ya se tuvo en cuenta en el Modelo Estándar hasta cierto punto, por lo que no hay motivo para volver de nuevo. Pero la democracia nuclear necesita fuertes pruebas experimentales para los químicos, aunque es algo natural para los físicos.

Por esa razón, creo que ni siquiera se verificó una gran clase de teorías, y es similar a su pregunta. Sí, pueden existir otros enfoques. Pero nunca fueron revisados.

Por ejemplo, Rutherford, quien predijo el neutrón, sugirió que el neutrón es similar al núcleo de partículas compuestas, que consta de protones y partículas negativas. Sugirió también, que esa partícula puede ser un electrón "interior" del núcleo.

Se hizo evidente que el electrón no puede estar dentro del núcleo. Pero, ¿qué pasa con la sugerencia principal de que el neutrón es un compuesto (compuesto), que consiste en un protón y una partícula negativa (que no sea un electrón)? Nadie incluso revisó las partículas de Particle Zoo por la posibilidad de ser un socio para el protón en la unión nuclear.

En lugar de esto, todas las partículas se sugirieron igualmente elementales, su clasificación se hizo con esta idea de democracia nuclear no probada, se aplicó simetría, y tenemos un resultado natural, el modelo de quarks.

¿Se pueden considerar los quarks reales y elementales?
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