Könnte es Elementarteilchen mit elektrischer Ladung >2e>2e> 2e geben?

Die einzige strenge Grenze für die möglichen Ladungen von Elementarteilchen in einer konsistenten Quantenfeldtheorie ist die Anforderung der Anomalie-Auslöschung. Anomalien treten auf, wenn eine Symmetrie des klassischen Lagrange nach der Quantisierung keine Symmetrie bleibt. Nach Fujikawa können wir die Anomalie so verstehen, dass sie aus der Tatsache entsteht, dass das Wegintegralmaß unter der anomalen Symmetrie nicht invariant ist.

Wenn eine globale Symmetrie anomal ist, stellen wir fest, dass der zugehörige Noetherstrom nicht erhalten bleibt. Zum Beispiel die Anomalie$U(1)$Achsensymmetrie führt zu den berühmten$\pi^0\rightarrow\gamma\gamma$Verfall. Eichsymmetrien hingegen sind einfach Redundanzen der Beschreibung, keine physikalischen Symmetrien, und daher führt eine anomale Eichsymmetrie zu einer Inkonsistenz in der Theorie. Beim Erstellen einer QFT dürfen einzelne Teilchenarten Anomalien der Dicke ungleich Null aufweisen, aber die gesamte Anomalie der Dicke aller fundamentalen Teilchen muss Null sein, damit die Theorie konsistent ist. Diese anomaliefreie Bedingung führt zu Beschränkungen der Ladungen der Teilchen in der Theorie (und der Darstellungen, in die sich die Teilchen im nicht-Abelschen Fall umwandeln). Es ist höchst nicht trivial (obwohl anthropologisch nicht überraschend), dass sich alle Pegelanomalien im Standardmodell aufheben.

Für eine Theorie mit mehr als einer Eichsymmetrie wie dem Standardmodell müssen wir nicht nur prüfen, ob jede Eichsymmetrie für sich anomaliefrei ist, sondern auch, dass es keine Anomalien gibt, wenn die Eichsymmetrien zusammenwirken. Dies sind die sogenannten gemischten Anomalien. Wie Sie wissen, die$U(1)$des Standardmodells ist Hyperladung, keine elektromagnetische Ladung. Die reine Hyperladungsanomalie, zusammen mit den gemischten Anomalien der Hyperladung mit$SU(2)$,$SU(3)$und die Eichsymmetrie der Schwerkraft ergibt vier Zwangsgleichungen, die die Hyperladungen der fundamentalen Teilchen betreffen. Das Hinzufügen neuer Teilchen zum Standardmodell wird diese Gleichungen ändern, aber es muss immer wahr sein, dass die Theorie frei von Eichanomalien ist. Natürlich verbietet Ihnen hier nichts, der Theorie Partikel mit extrem großer Ladung hinzuzufügen, aber Sie müssen sicherstellen, dass Sie dabei keine Anomalien der Messgeräte einführen, was wahrscheinlich erfordert, dass Sie mehr als ein neues Partikel hinzufügen, um dies auszugleichen Anomalie.

Eine mögliche weitere Überlegung ist die sogenannte schwache Gravitationsvermutung, die grob besagt, dass für eine QFT mit a$U(1)$Damit die Eichsymmetrie konsistent ist, wenn sie an die Schwerkraft gekoppelt ist, muss es in der Theorie ein Teilchen geben, dessen Masse kleiner als seine ist$U(1)$Aufladung; dh die Schwerkraft muss für mindestens ein Teilchen die schwächste Kraft sein. Wenn dies nicht der Fall wäre, dann würden extremale Schwarze Löcher (mit$Q=M$) wäre nicht in der Lage zu zerfallen, ohne die Extremalgrenze zu verletzen ($Q \leq M$). Dies bezieht sich nicht direkt auf Ihre Frage, da Sie nur ein Teilchen haben müssen, dessen Ladung größer als seine Masse ist, aber ich hielt es für erwähnenswert, da es im Sinne theoretischer Einschränkungen der möglichen Ladungen in einer QFT steht.

Die Frage, ob es phänomenologische Gründe gibt, Teilchen mit großen Ladungen außer Acht zu lassen, überlasse ich anderen.

Um diese Frage zu beantworten, kann ich wie üblich nicht die Gelegenheit verstreichen lassen, die elegante, wirtschaftlichste, (empirisch) verständliche und sehr geniale Schöpfung der schönen Rishon-Theorie durch die Renommierten zu propagieren (Propaganda zu machen ) . Physiker Haim Harari , der erklärt, wie der Zoo von Quarks, Leptonen (zwölf verschiedene), die$W^{+/-}$Und$W^0$, das Higgs-Teilchen (das eine sehr kurzlebige Kombination aus sechs V-Rishons und sechs Anti-V-Rishons sein kann, während ein Higgs-Teilchen mit einer elektrischen Ladung von zwei eine solche Kombination aus sechs T-Rishons und sechs V- Rishons) und die (hypothetischen) X- und Y-Bosonen , die (wieder) eine ganzzahlige elektrische Ladung haben$\frac 1 3$Aufladung ($\frac1 3$Und$\frac4 3$), kann aus nur zwei Elementarteilchen aufgebaut werden (eine sparsamere Theorie der Teilchenunterstruktur kann es per Definition nicht geben). Ich weiß, dass es nicht Mainstream ist (und dass es nicht viel Sympathie dafür gibt, weil der SM immer noch an erster Stelle steht), aber ich bin mir sicher, dass es eines Tages so sein wird.

Zukünftige Experimente werden entscheiden, ob die Theorie zum Mainstream wird. Ich glaube, wir befinden uns ungefähr in der gleichen Situation, als die Leute Quarks erwarteten (die noch nicht entdeckt wurden), mit dem Unterschied, dass man verdammt viel mehr Energie braucht, um die kurzen Entfernungen zu untersuchen, auf denen eine mögliche Unterstruktur des Jetzt genannt wird Elementarteilchen aufgedeckt.

Angesichts dieses Schönen und Einfachen (also nicht der Mathematik) lautet die Antwort auf Ihre Frage offensichtlich nein. Teilchen mit einer elektrischen Ladung, die ein Vielfaches von ist$\frac1 3$sind nicht elementar.