¿De qué están hechos los quarks?

No puedo resistirme a esta cita de mamá ganso:

¿De qué están hechos los niños pequeños?

¿De qué están hechos los niños pequeños?

ranas y caracoles,

y colas de cachorros;

De eso están hechos los niños pequeños.

¿De qué están hechas las niñas?

¿De qué están hechas las niñas?

Azúcar y picante,

Y todo eso es bueno;

De eso están hechas las niñas pequeñas.

Usted declara:

Entonces, los átomos se forman a partir de protones y neutrones, que se forman a partir de quarks. y preguntar: ¿Pero de dónde vienen estos quarks? ¿Qué los hace?

¿Cómo sabemos que los átomos se forman a partir de protones y neutrones? Tenemos dispersiones inelásticas profundas que mostraron que los átomos tienen un núcleo duro, por lo que no son una materia uniformemente distribuida. Luego tenemos la tabla periódica de elementos que se organiza bien contando protones y neutrones.

¿Cómo sabemos que los protones y neutrones se forman a partir de quarks? Tenemos los resultados de minuciosos experimentos que nos mostraron una vez más que la dispersión inelástica profunda muestra un núcleo duro dentro de los protones y neutrones. El estudio de los productos de interacción organizó las partículas y las resonancias en lo que ahora se llama el modelo estándar , una agrupación en familias que tienen una correspondencia uno a uno con la hipótesis de que los hadrones (protones, neutrones, resonancias) están compuestos por quarks.

Pero no solo. También tienen gluones que mantienen unidos a los quarks debido a la fuerte interacción, y los gluones se han visto experimentalmente , nuevamente con experimentos de dispersión.

Aquí es donde estamos ahora. El LHC está dispersando protones sobre protones, es decir, quarks sobre quarks a energías mucho más altas que nunca, y estamos esperando resultados. La interpretación teórica llamada Modelo Estándar, tan exitosa a bajas energías, presupone que los quarks son elementales. Debido a los intercambios de gluones, es difícil ver cómo podría aparecer un núcleo duro en la dispersión de quarks para llevar la cebolla un nivel más abajo, es decir, decirnos que los quarks tienen un núcleo.

Incluso en la dispersión de quarks de neutrino, los gluones interferirán, si la teoría SM es correcta a altas energías. Por el momento no hay indicios experimentales de que los quarks no sean elementales.

Sin embargo, la naturaleza nos ha sorprendido antes, y podría volver a hacerlo, una vez que se diseñen y lleven a cabo experimentos de dispersión de quarks lepton de alta energía en el futuro. Creo que Feynman había dicho: "para ver de qué está hecho un reloj, uno no arroja un reloj sobre otro reloj y cuenta los engranajes que salen volando. Uno toma un destornillador". Los leptones con sus interacciones débiles son el equivalente del destornillador.

Los quarks probablemente no estén hechos de nada más fundamental. La idea de que todo tiene que estar hecho de otra cosa no es cierta. La luz no está hecha de otra cosa, ni tampoco la gravedad. Era obvio que los átomos tenían cosas internas, porque son eléctricamente neutros y, sin embargo, dispersan la luz a frecuencias mágicas definidas. Los neutrones y los protones traicionaron su estructura no elemental debido a sus momentos magnéticos y su dispersión demasiado fuerte en distancias cortas. Suele ser obvio cuando una partícula es compuesta.

Los quarks, por otro lado, junto con los electrones, la luz, la gravedad, los gluones y los bosones W y Z, son perfectamente elementales, en el sentido de que sus interacciones están bien descritas por una teoría cuántica de campos renormalizable. Si no son elementales, es probable que se encuentren en una escala en la que se revelan como una excitación de la teoría de cuerdas, un agujero negro cuántico.

Los modelos de fermiones de modelos estándar compuestos eran interesantes porque podían explicar el fenómeno de las generaciones, las familias de modelos estándar que se repiten. Pero la teoría de cuerdas da una explicación mucho más natural de las generaciones, en términos de la geometría de la compactación. No hay una motivación real para la subestructura, aunque la gente especula.

La respuesta convencional estándar es considerarlos como fundamentales. Otra respuesta estándar, pero no convencional, es que llamamos genéricamente "preones" a los hipotéticos componentes de los quarks y los leptones. La teoría de preón más establecida, posiblemente, es Harari-Shupe, a veces denominada " teoría de rishon ", pero hay otras.

Sin preones, la teoría de cuerdas también podría ser una respuesta, pero no en la línea de su pregunta; los quarks y los leptones serían equivalentes a algunos estados de cadenas, por lo que no "hecho de", sino "igual que". De manera similar, en la teoría de Kaluza Klein: se espera que los quarks y los leptones sean estados especiales de la teoría compactada. Por supuesto, de nuevo, esta es la corriente principal. Los teóricos también han propuesto modelos donde los estados son Rishons.

En el camino medio, podrías tener las teorías que proponen producir quarks y leptones a partir de la geometría. Estas teorías suelen preocuparse mucho por la gravedad.

Por último, tienes las teorías no estándar. Yo mismo tengo uno de ellos, el sBootstrap, y sin duda alguna otra gente intentará responderte proponiendo su teoría favorita.

Primero, permítanme enfatizar que nadie sabe qué esperar con certeza cuando probamos a distancias cada vez más pequeñas (o a energías más altas) los hasta ahora considerados campos elementales: el electrón ($e^-$), el neutrino electrónico ($\nu_e$), el quark arriba ($u^{\frac {+2}{3}},$), y el quark abajo($d^{\frac{-1}{3}}$), junto con su segunda y tercera generación, la masiva$W^{+/-}$y el$Z^0$(los portadores de fuerza de la fuerza débil), el bosón de Higgs (que explica la masa) y los hipotéticos bosones X e Y superpesados , que (según la teoría ) permiten que el protón se desintegre y tienen una carga eléctrica de$+\frac{4}{3}$resp.$+\frac{1}{3}$.

Sin embargo, una suposición muy plausible está contenida en la teoría Rishon de Harari (que ya se mencionó en una respuesta anterior), que puede explicar todas las reacciones entre campos elementales (excepto las que involucran el campo de Higgs). Con solo dos campos elementales, el T-rishon y el V-rishon, una teoría de preón no puede ser más económica (es imposible construir los campos elementales hasta ahora conocidos a partir de un solo campo ). Esto es ciertamente más elegante que la multiplicidad de partículas elementales que prevalece hoy en día. Nombro "elegancia" porque algunos físicos consideran esto como un argumento a favor de nuevas ideas (por cierto, yo no).

Otros argumentos a favor de esta teoría:

• La desintegración del protón se explica muy fácilmente:

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

• La teoría establece que la cantidad de materia es igual a la cantidad de antimateria

• De acuerdo con la teoría de Rishon, la fuerza débil no es fundamental, al igual que la "antigua" fuerza fuerte que alguna vez se pensó que era transmitida por el pión (para ser comparada con la$W^{+/-}$o el$Z^0$) resultó ser una fuerza residual, y ahora se sabe que la fuerza fuerte fundamental es transmitida por gluones sin masa.

Los campos de Higgs no tienen cabida en esta teoría, lo que parece un retroceso importante ya que pueden haber sido descubiertos. Se dice que por esto todos los campos elementales no tendrán masa. Ambos rishons no tienen masa, pero cuando forman estados ligados (el único estado en el que pueden estar), entonces tal vez la fuerza (la que transmiten los gluones de hipercolor) entre ellos es tan grande como pueden (a pesar de la velocidad de la luz que viajan). con) permanecer juntos y formar campos masivos. Si es así, ¿qué hacer con el campo de Higgs? Bueno, tal vez, en ese caso, podamos usar esta teoría económica para refutar la existencia de este maldito campo de partículas. Como escribí en el comentario a continuación:

Para mí, el mecanismo de Higgs es una construcción bastante artificial y, por lo tanto, me inclino a decir que la evidencia del Higgs está contaminada. Entonces, uno puede usar la teoría de Rishon para refutar la existencia del campo de Higgs.

¿De qué están hechos los quarks?

No sabemos de qué están hechos los quarks, tal vez hayamos tocado fondo aquí, o que aún no se haya descubierto una estructura adicional.

Hasta ahora, los resultados del LHC en el descubrimiento de más estructuras, aparte del descubrimiento del bosón de Higgs, no han sido alentadores. Es posible que nuestra capacidad tecnológica actual simplemente no esté a la altura.

Recuerde, que la mecánica clásica se revitalizó cuando Galileo miró a través de un telescopio en el cielo nocturno, y la teoría de la radiación del cuerpo negro usando la entonces teoría termodinámica de Boltzmann dio resultados en desacuerdo con el experimento y provocó la introducción de Planck de la hipótesis atómica en energía, es decir la hipótesis cuántica.

Tal vez simplemente tengamos que esperar más ingenio tecnológico antes de que podamos abordar adecuadamente la física más allá del SM, y esto, por lo que parece, podría ser un poco de espera.

Sin embargo, uno de los principales contendientes actuales para explicar los quarks es la teoría de cuerdas; de hecho, la teoría de cuerdas surgió primero como una teoría de la fuerza fuerte como una especie de tubo de flujo que conectaba los quarks; debe señalarse, como advierten todos los principales practicantes de la teoría, que esta teoría es altamente especulativa, como uno debería esperar cuando estamos tan lejos de un régimen que es directamente accesible para experimentar.