Могут ли существовать элементарные частицы с электрическим зарядом >2e>2e>2e?

Единственным строгим ограничением возможных зарядов элементарных частиц в последовательной квантовой теории поля является требование компенсации аномалий. Аномалии возникают, когда симметрия классического лагранжиана не может оставаться симметрией после квантования. Следуя Фудзикаве, мы можем понимать аномалию как результат того факта, что мера интеграла по путям не является инвариантной относительно аномальной симметрии.

Когда глобальная симметрия аномальна, мы обнаруживаем, что связанный ток Нётер не сохраняется. Например, аномальный$U(1)$осевая симметрия приводит к известному$\pi^0\rightarrow\gamma\gamma$разлагаться. Калибровочные симметрии, с другой стороны, являются просто избыточностью описания, а не физическими симметриями, и поэтому аномальная калибровочная симметрия приводит к несогласованности теории. При построении КТП отдельные виды частиц могут иметь ненулевые калибровочные аномалии, но общая калибровочная аномалия всех фундаментальных частиц должна быть равна нулю, чтобы теория была непротиворечивой. Это условие отсутствия аномалий приводит к ограничениям на заряды частиц в теории (и к представлениям, в которые преобразуются частицы в неабелевом случае). Весьма нетривиально (хотя и неудивительно с точки зрения антропологии), что все калибровочные аномалии в стандартной модели сокращаются.

Для теории с более чем одной калибровочной симметрией, такой как Стандартная модель, мы должны проверить не только то, что каждая калибровочная симметрия сама по себе свободна от аномалий, но также и то, что нет никаких аномалий, когда калибровочные симметрии действуют вместе. Это так называемые смешанные аномалии. Как вы знаете$U(1)$Стандартной модели — это гиперзаряд, а не электромагнитный заряд. Чистая аномалия гиперзаряда вместе со смешанными аномалиями гиперзаряда с$SU(2)$,$SU(3)$а калибровочная симметрия гравитации дает четыре уравнения связи, связывающие гиперзаряды фундаментальных частиц. Добавление новых частиц в Стандартную модель изменит эти уравнения, но всегда должно быть верно, что теория свободна от калибровочных аномалий. Конечно, ничто здесь не запрещает вам добавлять в теорию частицы с очень большим зарядом, но вы должны следить за тем, чтобы при этом не вносились калибровочные аномалии, которые, вероятно, потребуют от вас добавления более одной новой частицы для уравновешивания аномалия.

Одним из возможных дополнительных соображений является так называемая гипотеза слабой гравитации, которая в общих чертах утверждает, что для КТП с$U(1)$Чтобы калибровочная симметрия была непротиворечивой в сочетании с гравитацией, в теории должна существовать частица, масса которой меньше ее массы.$U(1)$заряжать; т.е. гравитация должна быть самой слабой силой по крайней мере для одной частицы. Если бы это было не так, то экстремальные черные дыры (с$Q=M$) не сможет распадаться без нарушения экстремальной границы ($Q \leq M$). Это не имеет прямого отношения к вашему вопросу, потому что для этого требуется, чтобы у вас была только одна частица с зарядом, превышающим ее массу, но я решил, что об этом стоит упомянуть, поскольку это соответствует духу теоретических ограничений на возможные заряды в КТП.

Что касается вопроса о том, есть ли феноменологические причины пренебрегать частицами с большими зарядами, я оставлю это другим.

Чтобы ответить на этот вопрос, я не могу, как обычно, упустить случай, чтобы пропагандировать (занимаясь пропагандой) элегантное, наиболее экономное, легкое для (эмпирического) понимания и очень гениальное создание прекрасной теории Ришона известным физик Хаим Харари , который объясняет, как зоопарк кварков, лептонов (двенадцать разных),$W^{+/-}$и$W^0$, частица Хиггса (которая может быть очень короткоживущей комбинацией шести V-ришонов и шести анти-V-ришонов, в то время как частица Хиггса с электрическим зарядом, равным двум, может быть такой комбинацией шести T-ришонов и шести V-ришонов). Ришонс) и (гипотетические) X- и Y-бозоны , которые имеют (опять же) электрический заряд, равный целому числу, умноженному на$\frac 1 3$заряжать ($\frac1 3$и$\frac4 3$), может быть построен всего из двух элементарных частиц (более экономичной теории субструктуры частиц не может существовать по определению ). Я знаю, что это не мейнстрим (и что к нему не так много сочувствия, потому что SM все еще безраздельно господствует), но я уверен, что однажды так и будет.

Будущие эксперименты решат, станет ли теория общепринятой. Я думаю, что мы находимся примерно в той же ситуации, когда люди предвидели кварки (которые до сих пор не были обнаружены), разница в том, что вам нужно чертовски много энергии, чтобы исследовать короткие расстояния, на которых возможная подструктура теперь называется обнаружены элементарные частицы.

Итак, очевидно, в свете этой прекрасной и простой (то есть не математики) ответа на ваш вопрос нет. Частицы с электрическим зарядом, кратным$\frac1 3$не элементарны .