¿Podría haber partículas elementales con carga eléctrica >2e>2e> 2e?

El único límite estricto sobre las posibles cargas de las partículas fundamentales en una teoría cuántica de campos consistente es el requisito de la cancelación de anomalías. Las anomalías ocurren cuando una simetría del Lagrangiano clásico deja de ser una simetría después de la cuantización. Siguiendo a Fujikawa, podemos entender que la anomalía surge del hecho de que la medida de la integral de trayectoria no es invariante bajo la simetría anómala.

Cuando una simetría global es anómala, encontramos que la corriente de Noether asociada no se conserva. Por ejemplo, lo anómalo$U(1)$la simetría axial conduce a la famosa$\pi^0\rightarrow\gamma\gamma$decadencia. Las simetrías de calibre, por otro lado, son simplemente redundancias de descripción, no simetrías físicas, por lo que una simetría de calibre anómala conduce a una inconsistencia en la teoría. Al construir una QFT, se permite que las especies de partículas individuales tengan anomalías de calibre distintas de cero, pero la anomalía de calibre total de todas las partículas fundamentales debe ser cero para que la teoría sea consistente. Esta condición libre de anomalías conduce a restricciones sobre las cargas de las partículas en la teoría (y las representaciones en las que las partículas se transforman en el caso no abeliano). No es nada trivial (aunque antrópicamente no sorprende) que todas las anomalías de calibre se cancelen en el modelo estándar.

Para una teoría con más de una simetría de calibre, como el modelo estándar, debemos verificar no solo que cada simetría de calibre por sí misma esté libre de anomalías, sino también que no haya anomalías cuando las simetrías de calibre actúan juntas. Estas son las llamadas anomalías mixtas. como sabes el$U(1)$del modelo estándar es hipercarga, no carga electromagnética. La anomalía de hipercarga pura, junto con las anomalías mixtas de hipercarga con$SU(2)$,$SU(3)$y la simetría de calibre de la gravedad da cuatro ecuaciones de restricción que relacionan las hipercargas de las partículas fundamentales. Agregar nuevas partículas al modelo estándar alterará estas ecuaciones, pero siempre debe ser cierto que la teoría está libre de anomalías de calibre. Por supuesto, nada aquí le prohíbe agregar partículas con una carga extremadamente grande a la teoría, pero debe asegurarse de que al hacerlo no introduzca anomalías de calibre, lo que probablemente requerirá que agregue más de una nueva partícula para equilibrar el anomalía.

Una posible consideración adicional es la llamada conjetura de gravedad débil que establece vagamente que para un QFT con un$U(1)$para que la simetría de calibre sea consistente cuando se acopla a la gravedad, debe existir una partícula en la teoría cuya masa sea menor que su$U(1)$cargar; es decir, la gravedad debe ser la fuerza más débil para al menos una partícula. Si este no fuera el caso, entonces los agujeros negros extremos (con$Q=M$) no podría decaer sin violar el límite extremo ($Q \leq M$). Esto no se relaciona directamente con su pregunta porque solo requiere que tenga una partícula que tenga una carga mayor que su masa, pero pensé que valía la pena mencionarlo ya que está en el espíritu de las restricciones teóricas sobre las posibles cargas en un QFT.

En cuanto a la cuestión de si existen razones fenomenológicas para descartar partículas con grandes cargas, eso lo dejaré para otros.

Para responder a esta pregunta no puedo, como de costumbre, dejar pasar la ocasión de propagar (hacer propaganda) por la elegante, más económica, fácil de entender (empíricamente) y muy ingeniosa creación de la hermosa Teoría de Rishon por parte del renombrado físico Haim Harari , que explica cómo el zoo de los quarks, los leptones (doce diferentes), los$W^{+/-}$y$W^0$, la partícula de Higgs (que puede ser una combinación de vida muy corta de seis V-Rishons y seis anti-V-Rishons, mientras que una partícula de Higgs con una carga eléctrica de dos puede ser una combinación de seis T-Rishons y seis V-Rishons). Rishons), y los (hipotéticos) bosones X e Y que tienen (nuevamente) una carga eléctrica que es un número entero multiplicado por el$\frac 1 3$cargar ($\frac1 3$y$\frac4 3$), se puede construir a partir de solo dos partículas elementales ( por definición, no puede existir una teoría más económica de la subestructura de partículas). Sé que no es la corriente principal (y que no hay mucha simpatía por ella porque SM todavía reina supremamente), pero estoy seguro de que algún día lo será.

Los experimentos futuros decidirán si la teoría se convertirá en la corriente principal. Creo que estamos en la misma situación cuando la gente anticipó los quarks (que aún no se descubrieron), con la diferencia de que se necesita mucha más energía para sondear las distancias cortas en las que una posible subestructura de la ahora llamada se revelan las partículas elementales.

Entonces, obviamente, a la luz de este hermoso y simple (es decir, no de las matemáticas), la respuesta a su pregunta es no. Partículas con carga eléctrica múltiplo de$\frac1 3$no son elementales .