Warum gibt es keine elementar geladenen Spin-Null-Teilchen?

Im Sinne einer verwandten Untersuchung würde ich gerne wissen, ob es eine Grundlage gibt, um zu verstehen, warum es keine Elementarteilchen gibt , die eine elektrische Ladung ungleich Null, aber einen Spin von Null haben.

Kann eine solche Quantentheorie niedergeschrieben und in sich widerspruchsfrei sein? Erlauben die aktuellen Symmetrien unserer heutigen QFTs ein solches Teilchen nicht?

Für das, was es wert ist, gibt es Kompositpartikel mit diesen Eigenschaften, wie das geladene Pion.

Antworten (4)

Das Standardmodell ist in seiner Gruppenstruktur sehr erfolgreich darin, alle beobachteten Teilchen zu ordnen. Um ein Teilchen mit Ladung und Nullspin einzuführen, benötigen Sie ein anderes Modell, das auch die experimentell beobachteten und vom Standardmodell angepassten Symmetrien berücksichtigt. Die Antwort auf das „Warum“ ist also „weil“ wir keine gesehen haben und gut modellieren können, was wir gesehen haben.

Wenn man jedoch zu Stringtheorien und den notwendigen supersymmetrischen Strukturen geht, bei denen die aus Experimenten bekannten Elementarteilchen in ihrer Anzahl verdoppelt werden, haben wir die Squarks , die keinen Spin haben und geladen sind. Es gibt eine Reihe von Sfermionen mit der gleichen Signatur, Selektronen, Smyonen usw.

In der Teilchenphysik ist ein Sfermion das Spin-0-Superpartnerteilchen (oder Teilchen) seines zugehörigen Fermions. In supersymmetrischen Erweiterungen des Standardmodells (SM) hat jedes Teilchen einen Superpartner mit einem Spin, der sich um 1⁄2 unterscheidet. Fermionen im SM haben Spin-1⁄2 und daher haben Sfermionen Spin 0.

Da wir sie nicht gesehen haben, wie ich oben erklärt habe, wird die Supersymmetrie als gebrochene Symmetrie angenommen, was bedeutet, dass wir Signaturen dieser Elementarteilchen mit sehr hohen Massen sehen werden. Der LHC hat für die Massen Ordnungsgrenzen von TeV festgelegt .

+1 Es sollte beachtet werden, dass geladene Spin-Null-Teilchen kein No-Go zu sein scheinen, da dies dem komplexen Skalarfeld entspricht. Es ist eigentlich überraschend, dass das Standardmodell ein solches Partikel nicht enthält. Ich denke, die am "direktesten" gesuchten geladenen Skalare wären die geladenen Higgs-Bosonen.
anna v: könntest du vielleicht kurz die gruppen beschreiben, auf die du dich beziehst, oder sie zumindest benennen?
@BMS Das Standardmodell basiert auf den Symmetrien von SU (3) x SU (2) x U (1), SU Special Unitary Group of Order (3 starke Wechselwirkungen, 2 elektroschwache), U (1) Unitary Group (1 elektromagnetisch), de.wikipedia.org/wiki/… . Diese Symmetrien wurden durch Studieren der Daten erreicht.

Das Higgs ist im Standardmodell Teil eines komplexen skalaren Dubletts. Es trägt sowohl Hyperladung als auch schwache Ladung. Wir haben also geladene Skalare entdeckt.

Vielleicht interessieren Sie sich jetzt nur für ELEKTRISCHE Ladung. Trägt das Higgs-Dublett das also? Nun, sobald das Higgs ein vev aufnimmt, dann tun es einige Teile und andere nicht. Die Teile, die elektrische Ladung tragen, sollen von den W-Bosonen "gefressen" werden, und tatsächlich tragen sie elektrische Ladung. Während es einen elektrisch neutralen Teil gibt, der mit dem Higgs-Boson verwandt ist.

Das ist wahr. Aber es ist wichtig zu betonen, dass, wenn wir zwei skalare Dubletts hätten, dann auch ein geladenes Higgs existieren würde.

Der Lagrange

(1) L = − 1 4 F μ v F μ v + L frei + e EIN μ J μ
wo EIN μ ist das 4-Potenzial, F μ v = ∂ [ v EIN μ ] ist der Feldtensor, L frei beschreibt andere Felder als EIN μ , und J μ die in diesen anderen Feldern ausgedrückte 4-Stromdichte ist, beschreibt eine QED-ähnliche Theorie. Wann L frei beschreibt ein freies Dirac-Feld ψ und J μ = ψ ¯ γ μ ψ , es ist genau QED. Das Dirac-Feld hat Spin 1 2

Wir können stattdessen nehmen

L frei = 1 2 ( ( ∂ μ a ) ( ∂ μ a † ) + m 2 a a † )
mit
(2) J μ = ich ( a ∂ μ a † − ( ∂ μ a ) a † ) .
Das Feld a beschreibt Spin 0 Partikel.

Die durch (1) beschriebene Theorie ist so selbstkonsistent wie die QED, dh sie ist renormierbar. Dies liegt daran, dass die notwendige und ausreichende Zutat für die Renormierbarkeit von QED die Konstante ist e ist dimensionslos (in natürlichen Einheiten). Mit J μ nach (2) ist dies der Fall.

Das Heisenbergsche Unschärfeprinzip verbietet es.

So wie alle Quantenteilchen nicht weniger als die Nullpunktsenergie haben können, kann für den Spin nichts einen Winkelimpuls von weniger als 1/2 in Einheiten von h-bar haben.

Die Kommutierungsrelation für den Drehimpuls ist [L,Lz] >= h/2π

(Entschuldigung für die schlechte mathematische Notation)

Dies scheint nicht richtig zu sein. Es gibt Teilchen, die keinen Spin haben: das Higgs-Boson, Pionen. Wie würden Sie ihre Existenz erklären?
Während [ S → , S z ] = ich ℏ e → ich ϵ ich z j S j , impliziert dies keine Unschärferelation , die Teilchen mit Spin 0 verbietet (dies impliziert eine Ungleichung σ S x σ S z ≥ ℏ 2 | ⟨ S j ⟩ | , zum S z eigenstates die rhs ist null. Spin 0 bedeutet S 2 | ψ ⟩ = 0 . Die Beziehung [ S 2 , S z ] = 0 gilt im Allgemeinen, also gibt es Zustände, die eine bestimmte Spin-Qunatum-Zahl haben s ( s , so dass S 2 | ψ ⟩ = ℏ 2 s ( s + 1 ) | ψ ⟩ und S z | ψ ⟩ = ℏ m | ψ ⟩ , − s ≤ m ≤ s ) auch für s = 0 .
@mpv Erstens hat das Higgs-Boson einen vorläufigen Spin von 0, es wurde noch nicht gemessen, und aufgrund der extrem kurzen Lebensdauer ist es unwahrscheinlich, dass es lange Zeit auftritt. Zweitens könnte das Higgs-Boson ein zusammengesetztes Teilchen wie Para-Positronium sein (ein "Doppelstern" aus Positron und Elektron mit antiparallelen Spins). Weder die Quantentheorie noch das Unsicherheitsprinzip verbieten ein zusammengesetztes Teilchen mit einem Gesamtspin von Null . Dasselbe gilt für π° , zusammengesetzt aus Quark-Antiquark.
Auch die Frage bezieht sich auf geladene Teilchen. Jetzt spekuliere ich selbst über einen Zusammenhang zwischen Ladung und Drehimpuls.
Warum gibt es keine elementar geladenen Spin-Null-Teilchen?
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