¿Por qué no hay partículas compuestas con cargas fraccionarias?

Para mantener las cosas manejables, interpretaré la pregunta así: dado que los quarks tienen su patrón especial de cargas eléctricas con magnitudes$2/3$y$1/3$en unidades de la carga del electrón, ¿por qué todos los hadrones (partículas hechas de quarks) tienen cargas eléctricas enteras en unidades de la carga del electrón?

Usaré estas entradas: los quarks están unidos por la fuerza fuerte. Cada especie de quark viene en tres "colores" (esto es lo que llamamos la carga de fuerza fuerte, para distinguirla de la carga eléctrica), y la fuerza fuerte asegura que solo puedan ocurrir combinaciones de color neutro como partículas aisladas. Explicaré lo que esto significa a continuación.

Dejar$q_c$denota un quark con color$c$, y deja$\bar q_c$denota un antiquark con color$c$. Los hadrones aislados deben ser de color neutro, lo que significa que deben ser invariantes bajo las transformaciones

$$\begin{align} q_c &\to \sum_{c'} U_{cc'}q_{c'} \\ \bar q_c &\to \sum_n \bar q_{c'}U^*_{c'c} \tag{1} \end{align}$$ dónde$U$es un$3\times 3$matriz unitaria con determinante$1$. (El grupo de todas estas matrices se llama$SU(3)$.) Las dos combinaciones básicas de color neutro son la combinación tipo mesón $$\sum_c \bar q_c q'_c \tag{2}$$ dónde$c$es el índice de color y la combinación tipo barión $$\sum_\pi (-1)^\pi q_{\pi(1)} q'_{\pi{2}} q''_{\pi{3}}. \tag{3}$$ La suma en (3) es sobre todas las permutaciones de los tres valores de índice de color, y los signos hacen que el resultado sea completamente antisimétrico. El hecho de que$U$es unitario asegura que (2) es invariante, y el hecho de que$U$tiene determinante$1$asegura que (3) es invariante. El conjugado de (3) también es invariante, por supuesto. Otras invariantes son sumas y productos de estas invariantes básicas.

En unidades donde un electrón tiene carga$-1$, quarks$q$tener cargo$+2/3$módulo un entero y antiquarks$\bar q$tener cargo$-2/3$módulo un número entero. Dado que una combinación similar a un mesón involucra el mismo número de quarks y antiquarks, inmediatamente concluimos que debe tener una carga entera. Y dado que una combinación tipo barión involucra tres quarks o tres antiquarks, inmediatamente concluimos que también debe tener una carga entera. Todas las demás combinaciones de color neutro se construyen a partir de estas, por lo que todos los hadrones deben tener una carga eléctrica entera.

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Para más información:

• Esta respuesta no trató de explicar por qué la fuerza fuerte asegura que solo puedan ocurrir combinaciones de color neutro como partículas aisladas. Si desea obtener más información al respecto, las palabras clave incluyen cromodinámica cuántica y confinamiento .

• Esta respuesta tampoco trató de explicar por qué los quarks tienen su patrón especial de cargas eléctricas. Si desea obtener más información al respecto, las palabras clave incluyen ruptura de simetría electrodébil y anomalías quirales .

• Si desea obtener más información sobre las condiciones generales en las que todas las cargas eléctricas deben ser múltiplos enteros de alguna carga básica (que en el mundo real es la carga eléctrica de un quark abajo), las palabras clave son cuantización de carga y grupo de calibre compacto .

• Para una perspectiva experimental, que es lo que hace que todo este material matemático sea relevante, vea la respuesta de anna v .

¿Hay alguna razón teórica para la falta de partículas compuestas que daría lugar a cargas fraccionarias?

Es un hecho experimental que no hay ninguna fracción de las partículas cargadas del electrón en los datos del gran número de experimentos en física de altas energías.

Entonces, se tuvo que desarrollar una teoría que se ajustara matemáticamente a esta observación experimental.

Esta teoría es el modelo estándar de la física de partículas, dado por los grupos de$SU(3) \times SU(2) \times U(1)$que dan las representaciones permitidas. Se elige porque no tiene cargas fraccionarias para estar de acuerdo con los datos experimentales. . Entonces, la teoría por construcción no puede tener una partícula o combinación partícula-antipartícula de carga fraccionaria para partículas observables en la capa de masa.

Aquí se puede ver el concepto de cargas de color para los quarks y la neutralidad del color para las partículas de una capa de masa, lo que también contribuye a los emparejamientos. Una observación interesante, aunque no directamente relevante:

La justificación del concepto de color se puede resaltar con el caso del omega-menos, un barión compuesto por tres extraños quarks. Dado que los quarks son fermiones con espín 1/2, deben obedecer el principio de exclusión de Pauli y no pueden existir en estados idénticos. Entonces, con tres quarks extraños, la propiedad que los distingue debe ser capaz de al menos tres valores distintos.

Las matemáticas del modelo estándar describen los datos que tenemos en la actualidad en lo que respecta a las cargas por completo, por construcción. Si en el futuro se detectara una partícula de este tipo, el modelo estándar tendría que ampliarse o cambiarse.

Los chorros de quark se han estudiado experimentalmente para ver si su carga fraccionaria se ve en la distribución de las partículas del chorro, y el artículo dice que su estudio verifica las cargas fraccionarias de los pares superior-superior producidos en el experimento .