Warum gibt es keine zusammengesetzten Teilchen mit Bruchladungen?

Um die Dinge überschaubar zu halten, interpretiere ich die Frage so: Vorausgesetzt, Quarks haben ihr spezielles Muster elektrischer Ladungen mit Beträgen$2/3$Und$1/3$Warum haben alle Hadronen (Teilchen aus Quarks) in Einheiten der Elektronenladung ganzzahlige elektrische Ladungen in Einheiten der Elektronenladung?

Ich werde diese Eingaben verwenden: Quarks werden durch die starke Kraft zusammengehalten. Jede Quark-Spezies kommt in drei "Farben" vor (das nennen wir die starke Ladung, um sie von der elektrischen Ladung zu unterscheiden), und die starke Kraft sorgt dafür, dass nur farbneutrale Kombinationen als isolierte Teilchen auftreten können. Was das bedeutet, erkläre ich weiter unten.

Lassen$q_c$bezeichnen einen Quark mit Farbe$c$, und lass$\bar q_c$bezeichnen ein Antiquark mit Farbe$c$. Isolierte Hadronen müssen farbneutral sein, was bedeutet, dass sie unter den Transformationen invariant sein müssen

$$\begin{align} q_c &\to \sum_{c'} U_{cc'}q_{c'} \\ \bar q_c &\to \sum_n \bar q_{c'}U^*_{c'c} \tag{1} \end{align}$$ Wo$U$ist ein$3\times 3$einheitliche Matrix mit Determinante$1$. (Die Gruppe aller solcher Matrizen heißt$SU(3)$.) Die beiden farbneutralen Grundkombinationen sind die mesonenartige Kombination $$\sum_c \bar q_c q'_c \tag{2}$$ Wo$c$ist der Farbindex und die baryonartige Kombination $$\sum_\pi (-1)^\pi q_{\pi(1)} q'_{\pi{2}} q''_{\pi{3}}. \tag{3}$$ Die Summe in (3) geht über alle Permutationen der drei Farbindexwerte, und die Vorzeichen machen das Ergebnis vollständig antisymmetrisch. Die Tatsache, dass$U$unitär ist, stellt sicher, dass (2) invariant ist, und die Tatsache, dass$U$Determinante hat$1$stellt sicher, dass (3) invariant ist. Das Konjugierte von (3) ist natürlich auch invariant. Andere Invarianten sind Summen und Produkte dieser Grundinvarianten.

In Einheiten, in denen ein Elektron geladen ist$-1$, Quarks$q$Ladung haben$+2/3$Modulo eine ganze Zahl und Antiquarks$\bar q$Ladung haben$-2/3$modulo eine ganze Zahl. Da eine mesonartige Kombination die gleiche Anzahl von Quarks und Antiquarks umfasst, schließen wir sofort, dass sie eine ganzzahlige Ladung haben muss. Und da eine baryonartige Kombination drei Quarks oder drei Antiquarks umfasst, schließen wir sofort, dass sie auch eine ganzzahlige Ladung haben muss. Alle anderen farbneutralen Kombinationen werden daraus aufgebaut, daher müssen alle Hadronen eine ganzzahlige elektrische Ladung haben.

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Für mehr Informationen:

• Diese Antwort versuchte nicht zu erklären, warum die starke Kraft dafür sorgt, dass nur farbneutrale Kombinationen als isolierte Partikel auftreten können. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, sind die Stichworte Quantenchromodynamik und Confinement .

• Diese Antwort versuchte auch nicht zu erklären, warum Quarks ihr spezielles Muster elektrischer Ladungen haben. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, sind die Schlüsselwörter elektroschwache Symmetriebrechung und chirale Anomalien .

• Wenn Sie mehr über allgemeine Bedingungen erfahren möchten, unter denen alle elektrischen Ladungen ganzzahlige Vielfache einer Grundladung sein müssen (die in der realen Welt die elektrische Ladung eines Down-Quarks ist), sind die Stichworte Ladungsquantisierung und kompakte Eichgruppe .

• Für eine experimentelle Perspektive, die all diese mathematischen Dinge relevant macht, siehe anna v's answer .

Gibt es einen theoretischen Grund für das Fehlen von Verbundpartikeln, die zu Teilladungen führen würden?

Es ist eine experimentelle Tatsache , dass in den Daten der großen Zahl von Experimenten in der Hochenergiephysik kein Bruchteil der geladenen Teilchen des Elektrons enthalten ist.

Also musste eine Theorie entwickelt werden, die mathematisch zu dieser experimentellen Beobachtung passt.

Diese Theorie ist das Standardmodell der Teilchenphysik, gegeben durch die Gruppen von$SU(3) \times SU(2) \times U(1)$die die erlaubten Darstellungen geben. Es wird gewählt, weil es keine Bruchladungen hat, um mit den experimentellen Daten übereinzustimmen . . Die Theorie kann also keine Teilchen- oder Teilchen-Antiteilchen-Kombination mit fraktionaler Ladung für auf der Massehülle beobachtbare Teilchen haben.

Hier ist das Konzept der Farbladungen für die Quarks und der Farbneutralität für massereiche Schalenteilchen zu sehen, was ebenfalls zu den Paarungen beiträgt. Eine interessante Beobachtung, wenn auch nicht direkt relevant:

Die Gründe für das Farbkonzept lassen sich am Beispiel des Omega-Minus veranschaulichen, einem Baryon, das aus drei seltsamen Quarks besteht. Da Quarks Fermionen mit Spin 1/2 sind, müssen sie dem Pauli-Ausschlussprinzip gehorchen und können nicht in identischen Zuständen existieren. Bei drei seltsamen Quarks muss die Eigenschaft, die sie unterscheidet, also mindestens drei unterschiedliche Werte annehmen können.

Das Standardmodell Mathematik beschreibt die Daten, die wir derzeit haben, was die Gebühren angeht, vollständig, konstruktionsbedingt. Sollte in Zukunft ein solches Teilchen nachgewiesen werden, müsste das Standardmodell erweitert oder geändert werden.

Quark-Jets wurden experimentell untersucht , um zu sehen, ob ihre Teilladung in der Verteilung der Jet-Partikel zu sehen ist, und der Artikel besagt, dass ihre Studie die Teilladungen der im Experiment erzeugten Top-Untitop-Paare verifiziert .