Warum ist das Proton das einzige stabile Hadron?

Der Titel erklärt die Frage ziemlich genau, aber ich habe immer gedacht, dass es wegen seiner 0-Ladung ein Neutron sein würde.

Weil es kein anderes leichteres Baryon gibt, in das ein Proton zerfallen kann. Und die Baryonenzahl bleibt im Standardmodell erhalten.
Die Baryonenzahl wird im Allgemeinen aufgrund der quantenchiralen Anomalie nicht durch elektroschwache Wechselwirkungen konserviert . Und der Protonenzerfall (etwa in Pionen und Positronen) wurde aktiv diskutiert und experimentell gesucht, er ist trotz fehlender experimenteller Bestätigung auch heute noch nicht ausgeschlossen. Es kann also keinen a priori Grund geben, warum Protonen stabil sein sollten.
Fragen Sie, warum das Neutron (isoliert) in ein Proton (plus Elektron und Antineutrino) zerfällt, aber nicht umgekehrt?
@Conifold Protonenzerfall ist im Standardmodell theoretisch unmöglich, und das Tag "Standardmodell" in der Frage impliziert, dass dies keine Forderung nach denkbaren Theorien über das Standardmodell hinaus ist, die von diesem theoretischen Verbot abweichen würden. Sphaleron-Wechselwirkungen können keinen Protonenzerfall verursachen.

Antworten (2)

Protonen, Neutronen und allgemein Hadronen befinden sich im quantenmechanischen Regime und sind nicht elementar. Elementar sind die Quarks mit ihren positiven und negativen Ladungen. Hier ist das quantenmechanische Hauptbild eines Protons in groben Linien

Proton

und hier ist ein Neutron

Neutron

Wieder in groben Zügen, sie sind quantenmechanisch durch das Potential gebunden, mit der Hinzufügung von zwei fundamentalen Kräften, der starken QCD-Kraft und der elektromagnetischen Kraft. In der Quantenmechanik sind, wie auch in den Kommentaren angegeben, Systeme stabil, wenn sie sich im niedrigsten Energiezustand befinden, und dieser Zustand ist zufällig das Proton.

Der Titel erklärt die Frage ziemlich genau, aber ich habe immer gedacht, dass es wegen seiner 0-Ladung ein Neutron sein würde.

Die Neutronentasche enthält zwei Down-Quarks und ist schwerer als die Protonentasche, die zwei Up-Quarks enthält, die leichter als Down sind, sodass sich das Neutron auf einem höheren Energieniveau befindet als das Proton. Das Bild ist wegen QCD komplizierter, und die hadronischen Taschen enthalten eine große Anzahl virtueller Gluon- und Quark-Antiquark-Paare, wie hier für das Proton veranschaulicht , aber qualitativ gilt das Argument des niedrigsten Energieniveaus.

meinproton

Es wird viel theoretischer Aufwand betrieben, um zu versuchen, die Masse des Protons in der Gitter-QCD zu berechnen, wobei alle beitragenden Potentiale berücksichtigt werden,

Ein weiterer wichtiger Teil des Puzzles ist die Erhaltung der Baryonenzahl. Die Gesamtzahl der Quarks in einem System abzüglich der Gesamtzahl der Antiquarks in einem System bleibt erhalten. Ein Proton, das drei Quarks mehr hat als die Anzahl der Antiquarks, die es hat (auf Schale und virtuell kombiniert), kann nicht in einen Endzustand zerfallen, der beispielsweise vier, zwei, eins oder null hat Shell-Quarks darin. Das Proton ist nicht das Hadron mit der niedrigsten Massenenergie (das wäre das Pion mit etwa 1/7 der Ruhemasse eines Protons), aber es ist das Hadron mit der niedrigsten Massenenergie mit drei Quarks (was einer Baryonenzahl von 1 entspricht). .

Die übliche Antwort ist, dass es keinen leichteren Hadronenzustand gibt, in den es möglicherweise zerfallen könnte. nach diesem bild ist das proton absolut stabil, dh wenn es in ruhe gelassen wird, hält es ewig.

Warum ist das Proton das einzige stabile Hadron?
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