¿Pueden los electrones ser no fundamentales en dimensiones superiores?

Question

Me preguntaba, ¿es necesario que todas las partículas elementales sigan siendo elementales también en dimensiones superiores, o puede haber una dimensión rizada superior (como las de la teoría de cuerdas) en la que un electrón, por ejemplo, esté formado por más entidades elementales?

Answer 1

Cuando empecé en la física de partículas, allá por 1962 más o menos, los neutrones y protones no habían perdido su condición de partículas elementales. Quarks eran sólo un sueño. En aquella época estábamos muy contentos con la simetría de espín isotópico entre el neutrón y el protón y utilizábamos el concepto para organizar las resonancias hadrónicas emergentes de nuestros experimentos. Presento esta historia para mostrar que el concepto de partícula elemental y de partícula compuesta ha evolucionado, no es inmutable.

es necesario que todas las partículas elementales sigan siendo elementales también en dimensiones superiores,

No es necesario, lo que es necesario es que cualquier nueva teoría asimile/incorpore el modelo estándar existente que se basa en la simetría SU(3)xSU(2)xU(1) de las interacciones de las partículas elementales. La dirección modelo estándar tiene la simetría isospín y el protón y el neutrón como partículas compuestas.

¿no puede haber una dimensión rizada superior (como las de la teoría de cuerdas)

Teoría de cuerdas tiene dimensiones superiores rizadas, pero las partículas elementales son estados vibratorios en una cuerda. Puede incrustar el modelo estándar, pero es difícil ver cómo el electrón puede ser más compuesto, ya que es sólo una vibración específica en la esencialmente única partícula elemental, una cuerda.

donde un electrón, por ejemplo, está formado por más entidades elementales?

Esto supondría un modelo matemático diferente, fuera de la caja. Sería posible imaginar uno, pero como ya he dicho, tendría que ajustarse a las simetrías del modelo estándar.

Answer 2

Las partículas no son los objetos fundamentales que muchos piensan. Nuestra mejor descripción actual de las partículas es teoría cuántica de campos y esto describe las partículas como excitaciones en los modos descritos por el campo cuántico (asintóticamente libre). Consideramos que el campo cuántico es fundamental, y que la existencia de partículas es consecuencia del comportamiento del campo cuántico.

Actualmente creemos que los electrones son fundamentales porque están descritos por un único campo cuántico - el campo de electrones . En comparación, un protón no es fundamental porque es el resultado de los campos de los quarks. Aunque sería posible describir los protones mediante un campo de protones esto sería un teoría del campo efectivo que sólo era útil a energías lo suficientemente bajas como para que la estructura interna del protón fuera invisible. Los campos fundamentales son los campos de los quarks.

En este contexto, creo que su pregunta se divide en dos partes:

1. ¿es el campo de electrones realmente un campo fundamental o es también sólo un campo efectivo como el campo de protones?

2. ¿cómo influyen en esto la teoría de cuerdas y la compactificación de las dimensiones adicionales?

La respuesta a la primera pregunta es que no tenemos pruebas experimentales de que el campo electrónico no sea fundamental, es decir, no hay pruebas experimentales de que el electrón sea compuesto. Pero, si me permite el tópico, la ausencia de pruebas no es prueba de ausencia. El electrón podría ser compuesto y, simplemente, no hemos alcanzado (todavía) las energías en las que la estructura interna se haría visible. Por el momento, simplemente no lo sabemos.

Respecto a la segunda pregunta: los campos cuánticos surgen (de forma complicada) de la compactificación de las cuerdas, y aún no tenemos una descripción definitiva de cómo sucede. Sin embargo, no hay razón para dudar de que el campo del electrón pueda surgir como un campo fundamental, por lo que no hay razón desde la teoría de cuerdas para suponer que el electrón es compuesto.

Podría haber partículas que surgen de las formas en que se curvan las dimensiones extra, y éstas se llaman campos de módulos . Sin embargo, nunca hemos observado tales partículas y, si existieran, ya deberíamos haber sido capaces de observarlas. Hay varias teorías que sugieren por qué las partículas no existen, pero este campo dista mucho de estar completamente comprendido.

Answer 3

¿Pueden los electrones ser no fundamentales

Sí, sin duda. Podemos crear electrones junto con positrones en la producción de pares. También podemos destruir electrones y positrones en la aniquilación. Así que no son realmente fundamentales. Sin embargo, el tipo de personas que no pueden decir por qué el electrón tiene un momento dipolar magnético y un espín ½ tienden a decir "el electrón es una partícula fundamental" y tienden a no admitir que estas propiedades medibles sean una prueba científica fehaciente de la estructura del electrón.

en dimensiones superiores?

No tenemos pruebas de dimensiones superiores. Y si el electrón no es fundamental en nuestro mundo de 3+1 dimensiones, no veo lógica en sugerir que sea fundamental en algún hipotético mundo de 4+1 o 5+1 dimensiones, etc.

Me preguntaba, ¿es necesario que todas las partículas elementales sigan siendo elementales también en dimensiones superiores

Imagino que la respuesta sería afirmativa, pero reitero que las dimensiones superiores siguen siendo hipotéticas. La gente lleva mucho tiempo especulando sobre ellas. El libro Flatland: Un romance de muchas dimensiones fue escrito en 1884. Es decir, hace 132 años y contando. No tenemos pruebas de ninguna dimensión superior.

¿o puede haber una dimensión rizada superior (como las de la teoría de cuerdas) en la que un electrón, por ejemplo, esté formado por más entidades elementales?

La teoría de cuerdas presenta cuerdas abiertas y cuerdas cerradas. En cierto sentido, puede decirse que el electrón está formado por un fotón de 511 keV en una trayectoria cerrada. Véase la modelo de anillo toroidal en Wikipedia: "El modelo de anillo toroidal, conocido originalmente como magnetón de Parson o electrón magnético, también se conoce como anillo plasmoide, anillo vórtice o anillo helicoidal. Este modelo físico trataba a los electrones y protones como partículas elementales, y fue propuesto por primera vez por Alfred Lauck Parson en 1915" . Eso fue antes de la producción de pares y la aniquilación. Otros trabajos más contemporáneos son https://arxiv.org/abs/physics/0512265 por Qiu-Hong Hu y ¿Es el electrón un fotón con topología toroidal por Williamson y van der Mark. Creo que la respuesta es sí, pero que este fotón "rizado" no implica ninguna dimensión superior: