Qu'une particule se désintègre en d'autres particules est complètement disjointe de celle-ci ayant une sous-structure / étant fondamentale ou composite.

Quelques exemples: Un photon hautement énergétique peut "se désintégrer" en un électron et un positron en présence d'un autre objet qui prend l'élan en excès. Cela ne veut pas dire qu'un photon est un composite d'électrons et de positons. Un neutron libre se désintègre en un proton, un électron et un anti-neutrino d'électrons avec une durée de vie moyenne de 10 minutes, mais c'est un état composite de trois quarks .

Etre constitué d'autres particules signifie être un état lié de ces particules. Les processus de la théorie des champs quantiques n'ont aucun problème à transformer un type de particules en d'autres types de particules (sous réserve de certaines règles, bien sûr), mais ce type de processus n'implique pas que les résultats constituent réellement l'entrée. Un photon n'est en aucun cas un état lié d'électron et de positron, aucun neutron n'est un état lié de proton et d'électron, et aucunement un muon n'est un état lié d'un électron et de neutrinos.

Remédier aux idées fausses

Tout d'abord, j'aborde certaines idées fausses dans votre question.

la désintégration indique que le muon peut être juste une particule composite

Le fait que le muon se désintègre tout ne prouve pas qu'il est composite. Il est tentant de dire que si une particule $ A $ peut se désintégrer en $ B $ et $ C $ , alors il doit être "made of" $ B $ et $ C $ . Cependant, cela ne fonctionne pas, car presque toutes les particules ont plusieurs canaux de désintégration. Par exemple, l'hydrogène dans l'état $ 2s $ peut libérer un photon pour passer à l'état $ 1s $ , mais il peut aussi rarement le faire en libérant deux photons. À titre d'exemple plus extrême, le parapositronium peut complètement s'annihiler, se transformant en deux photons, mais il peut aussi se transformer en quatre .

Nous pensons à la désintégration des particules en termes de couplages de champs quantiques entre eux: une excitation dans un champ peut se désintégrer en excitations dans d'autres. Comme Feynman l'a dit, ces excitations finales n'existent pas «à l'intérieur» de l'original, pas plus que le mot «chat» ne rebondit en vous parce que vous pouvez dépenser de l'énergie pour le dire.

À ce stade, il semble que les électrons ne soient pas fondamentaux après tout: https://www.sciencedaily.com/releases/2016/04/160404111559.htm

Cet article traite de certaines des façons étranges dont les grandes collections d'électrons dans les solides peuvent se comporter collectivement, mais il n'est pas lié à la question de savoir si les électrons eux-mêmes sont composites ou non. Il est important de garder cela à l'esprit lors de la lecture des communiqués de presse, car les personnes qui étudient ce que font les électrons dans les solides ont malheureusement tendance à donner aux phénomènes résultants les mêmes noms que les particules que nous recherchons dans les collisionneurs, ce qui entraîne beaucoup de confusion populaire.

Répondre à la question

Dans cet esprit, vous avez toujours raison, dans le sens où il est tout à fait naturel de penser que le muon peut être composite. Si vous étiez scientifique dans les années 50, par exemple, le muon ne serait qu'une particule de plus découverte avec un zoo de mésons et de hadrons. Aujourd'hui, nous savons que tous ces mésons et hadrons se sont avérés être des composites de quarks. Alors pourquoi ne pas considérer le muon comme un composite?

En effet, au début, la similitude du muon et de l'électron était considérée comme une preuve possible que le muon était un état excité de l'électron, tout comme le $ 2s $ state est un état excité d'hydrogène. Si tel était le cas, on s'attendrait à ce que le muon se désintègre souvent en émettant un photon, $ \ mu \ to e \ gamma $ , mais cela a été trouvé ce n'est pas le cas. Au lieu de cela, les désintégrations impliquant les neutrinos dominent.

Vous vous demandez peut-être pourquoi le muon ne peut-il pas être un composite de l'électron lié à certains neutrinos? Cette idée ne fonctionne pas parce qu'aucune force à notre connaissance ne ferait le travail: même dans les années 1950, on savait que les neutrinos interagissaient extrêmement faiblement. Obtenir un neutrino pour interagir avec un électron à tous est moins probable que de gagner à la loterie, il semble donc extrêmement improbable qu'il soit simultanément possible de les lier ensemble.

Une autre difficulté de toute théorie composite du muon est d'expliquer le facteur g du muon, qui détermine son moment magnétique. On s'attend à ce que les particules élémentaires aient $ g \ approx 2 $ . Le proton et le neutron composites violent cela par une bonne marge, $$ g_p \ environ 5,59, \ quad g_n \ environ -3,82 $$ tandis que l'électron et le muon ont $$ g_e \ environ 2,002, \ quad g_ \ mu \ environ 2,002. $$ Ce $ 0,002 $ n'est pas non plus une preuve de la composition, car c'est précisément ce à quoi vous vous attendez pour une particule parfaitement élémentaire, une fois que vous avez inclus les effets de la théorie des champs quantiques. En fait, les facteurs d'électrons et de muons $ g $ ont été mesurés avec beaucoup plus de décimales que ce que j'ai montré, et les résultats correspondent à la prédiction du modèle standard. précision. Faire du composite électron et muon sans bouleverser cet accord semblerait exiger un modèle sérieusement inventé, ou un miracle.

Une méta-difficulté

Ce sont déjà de grandes difficultés, mais si vous imaginez être un scientifique dans les années 1950, le modèle des quarks avait ses propres problèmes (tels que la non-observabilité totale des quarks individuels), mais il a gagné du soutien en raison de sa capacité à rendre compte d'énormes problèmes. nombre de hadrons et en prédire de nouveaux. Et aujourd'hui, les gens envisagent des théories où le boson de Higgs est composite, car cela permet de lui donner une masse appropriée.

La méta-difficulté pour le muon est que cela ne vaut la peine d'essayer de le rendre composite que s'il y a un gain que vous attendez, comme (1) l'achèvement d'une image théorique, (2) de nouvelles prédictions, ou (3) façons pour calculer des quantités (comme la masse de muons) que nous devons autrement prendre comme entrées.

La première raison ne s'applique pas, car le muon a déjà parfaitement sa place dans le modèle standard: il doit être là à cause de la structure familiale de la théorie, et cette structure est suffisamment rigide pour que sans le muon, le modèle standard serait mathématiquement incohérent en raison des anomalies de jauge.

La deuxième raison ne s'applique pas non plus. Ce n'est pas comme si nous avions une série de particules étranges qui pourraient être expliquées comme d'autres composites de l'électron. Et comme nous avons mesuré les propriétés du muon avec une précision exquise, à peu près n'importe quelle théorie de la composition du muon fera des «prédictions» que nous savons déjà être fausses! Vous devez travailler extrêmement dur pour éviter cela. (Certes, le facteur muon $ g $ -facteur semble s'écarter un peu de la valeur prédite, et cela retient l'attention - c'est juste que la composition n'est pas le genre de chose qui aiderait ici.)

La troisième raison pourrait s'appliquer. Cependant, expliquer les masses de particules comme l'électron et le muon est un problème tristement célèbre, même si vous ne les prenez pas comme composites. Certes, les têtes tourneraient si vous proposiez une théorie simple qui donne le rapport de masse muon-électron à de nombreuses décimales, mais des décennies de tentatives infructueuses ont rendu cela improbable.

Si vous ne teniez pas compte de ces raisons et que vous créiez un modèle artificiel où le muon était composite, en réglant toutes les constantes impliquées précisément sur les valeurs nécessaires pour masquer tous les écarts par rapport au modèle standard, alors cela "fonctionnerait" ... mais ce serait aussi scientifiquement inutile.

Bien sûr, il est également tout à fait possible que les muons se révèlent non élémentaires, car en science, il est impossible de prouver un jour un négatif!Pour le moment, cette possibilité n'est pas sous enquête active.Mais ce n'est pas non plus une hérésie.Si des résultats expérimentaux suffisamment étranges apparaissaient à l'avenir, les scientifiques pourraient être de retour à bricoler avec des électrons et des muons composites, faisant de leur mieux pour comprendre les résultats et l'univers.

Le meilleur endroit pour chercher des preuves que la désintégration n'est pas synonyme de composition est la création de particules. Parce que si la décomposition signifiait la composition, alors la création vous obligerait à réunir les constituants.

Lorsque vous frappez deux nucléons ensemble à une énergie suffisamment élevée, vous obtenez beaucoup de déchets qui sortent. Certains de ces déchets sont des paires de particules de lepton-antiparticule, et beaucoup d'entre elles résultent d'interactions comme $$ q + \ bar {q} \ to l ^ - + l ^ + \,. $$ Ce processus s'appelle "Drell-Yan". Les leptons peuvent être des électrons, des muons ou des tauons. Obtenir des muons est expérimentalement très utile, ce processus est donc parfois utilisé comme sonde de la structure de la mer de nucléons. (Quand vous mettez des protons sur des protons, les anti-quarks doivent provenir de la mer car le contenu de valence est entièrement quark.)

Si vous avez une machine électron-positon à haute énergie (c'est-à-dire le SLC ou LEP mis hors service), vous pouvez également faire $$ e ^ - + e ^ + \ to l ^ - + l ^ + \ ,, $$ avec des mathématiques similaires.

Maintenant, à des énergies très supérieures à $ 2m_ \ mu c ^ 2 $ , le taux de production de paires d'électrons et celui de production de paires de muons est le même , ce qui ne serait pas le cas si l'un était élémentaire et l'autre composite (si les muons étaient composites, la chance d'avoir les bons bits présents contribuerait à la cadence de production donc la cadence serait plus faible). De plus, le taux est en accord avec les prédictions ab initio de QED pour les leptons fondamentaux. Prenons un moment pour rappeler que QED offre le meilleur accord unique entre théorie et expérience en physique (le g-2 de l'électron).

En outre, il existe de nombreuses autres prédictions intéressantes de QED sur les muons (par exemple le muon g-2 qui est presque aussi bon une correspondance théorie-expérience que celle des électrons).

Voici la table de particules élémentaires du modèle standard de la physique des particules.

Veuillez noter que ce n'est pas seulement le muon qui se désintègre, mais aussi le tau et le Z, W et Higgs.

Ils sont appelés élémentaires car ils sont les éléments constitutifs du modèle standard; construire toutes les autres particules et contrôler les interactions dans le micromonde où la mécanique quantique est nécessaire pour calculer et prédire le comportement des particules, à l'aide du modèle standard.

Les désintégrations ne sont pas une indication unique de l'existence d'une sous-structure. La sous-structure est étudiée dans des expériences de diffusion équipées des fonctions de modèle standard. Les particules élémentaires du tableau sont appelées particules ponctuelles car elles n'ont pas de sous-structure comme hypothèse du modèle, et le modèle est validé en permanence, c'est-à-dire qu'il n'a pas été falsifié.Comme le montre le diagramme fourni par @Statics, il y a un point sommet dans la faible désintégration du muon (ainsi que du tau et du Z et du W). Toutes les particules du tableau sont considérées comme des particules ponctuelles lorsqu'elles interagissent. Pas de place pour les mandants.

Les théories des chaînes visent à étendre le modèle standard, à décrire les particules élémentaires comme des chaînes, mais c'est un sujet de recherche, et il n'y a toujours pas de constituants dans la représentation sous forme de chaîne d'une particule.

Addition après plus de rappel.

Comment la composition du noyau des atomes a-t-elle été établie? Par la célèbre expérience de Rutherford qui a montré une dispersion inélastique profonde.

Les mêmes expériences de diffusion à des énergies plus élevées ont montré une diffusion inélastique profonde dans les protons, établissant l'existence de quarks et de gluons.

En général, les expériences de diffusion ont établi les facteurs de forme des cibles, la "forme" dans l'espace et l'espace d'énergie / impulsion des cibles, voir la figure 11 ici. Le fait que le proton et le neutron n'étaient pas des particules ponctuelles était établi bien avant la découverte du contenu en quarks, et Feynman avait proposé son modèle de parton pour modéliser les données. Des expériences ont montré des écarts par rapport au modèle de parton qui a établi la diffusion dure sur les centres de diffusion par les données dites à p_t élevé.

Aucune structure de ce type n'est apparue pour l'électron dans la plage d'énergie de nos expériences, son point de taille comme dans 10 $ ^ {- 18} $ span> mètres et sa forme sphérique avec une grande précision..

Les symétries dans le modèle standard de physique sont ensuite utilisées pour poser une structure de type point pour les particules élémentaires du tableau. Pour le moment, le succès du modèle standard dans la description des données expérimentales ne laisse pas de place à la composition des particules élémentaires. S'il existe, des énergies beaucoup plus élevées doivent être atteintes dans nos expériences pour le découvrir.

Le muon n'est pas une particule composite.Le fait qu'il puisse se désintégrer est lié à une faible interaction, possible en raison de l'existence de $ W / Z $ -bosons. Le muon peut se désintégrer en neutrino et électron puisque sa masse au repos est plus grande que celle d'un électron.Puisqu'il n'y a pas d'autre lepton chargé avec une masse inférieure à celle d'un électron, l'électron ne peut pas se désintégrer en quoi que ce soit lui-même.

D'après les milliers d'expériences, nous savons qu'un muon a à peu près les mêmes propriétés qu'un électron et peut donc être considéré comme un lepton.Le lepton n'est pas des particules composites de quoi que ce soit, ils ne lient pas les neutrinos et les électrons ensemble.Il n'y a aucune force connue qui décrirait de telles liaisons.