Почему нет составных частиц с дробными зарядами?

Чтобы все было понятно, я буду интерпретировать вопрос следующим образом: учитывая, что кварки имеют свою особую структуру электрических зарядов с величинами$2/3$и$1/3$в единицах заряда электрона, почему все адроны (частицы, состоящие из кварков) имеют целые электрические заряды в единицах заряда электрона?

Я буду использовать эти исходные данные: Кварки связаны сильным взаимодействием. Каждый вид кварков бывает трех «цветов» (это то, что мы называем зарядом сильного взаимодействия, чтобы отличить его от электрического заряда), и сильное взаимодействие гарантирует, что в виде изолированных частиц могут возникать только комбинации нейтрального цвета. Ниже я объясню, что это значит.

Позволять$q_c$обозначим кварк цветом$c$, и разреши$\bar q_c$обозначим антикварк цветом$c$. Изолированные адроны должны быть цветонейтральными, а это означает, что они должны быть инвариантны относительно преобразований

$$\begin{align} q_c &\to \sum_{c'} U_{cc'}q_{c'} \\ \bar q_c &\to \sum_n \bar q_{c'}U^*_{c'c} \tag{1} \end{align}$$ где$U$это$3\times 3$унитарная матрица с определителем$1$. (Группа всех таких матриц называется$SU(3)$.) Две основные нейтральные по цвету комбинации представляют собой мезоноподобную комбинацию $$\sum_c \bar q_c q'_c \tag{2}$$ где$c$- цветовой показатель, а барионоподобная комбинация $$\sum_\pi (-1)^\pi q_{\pi(1)} q'_{\pi{2}} q''_{\pi{3}}. \tag{3}$$ Сумма в (3) относится ко всем перестановкам трех значений индекса цвета, а знаки делают результат полностью антисимметричным. Дело в том, что$U$унитарно, обеспечивает инвариантность (2) и тот факт, что$U$имеет определитель$1$обеспечивает инвариантность (3). Сопряженное к (3) тоже, конечно, инвариантно. Другие инварианты являются суммами и произведениями этих основных инвариантов.

В единицах, в которых электрон имеет заряд$-1$, кварки$q$иметь заряд$+2/3$по модулю целого числа и антикварки$\bar q$иметь заряд$-2/3$по модулю целого числа. Поскольку в мезоноподобной комбинации участвует одинаковое количество кварков и антикварков, мы сразу заключаем, что она должна иметь целочисленный заряд. А поскольку барионоподобная комбинация включает в себя три кварка или три антикварка, мы немедленно заключаем, что она тоже должна иметь целочисленный заряд. Все остальные нейтральные по цвету комбинации строятся из них, поэтому все адроны должны иметь целочисленный электрический заряд.

---

Для дополнительной информации:

• Этот ответ не пытался объяснить, почему сильное взаимодействие гарантирует, что только нейтральные по цвету комбинации могут встречаться в виде изолированных частиц. Если вы хотите узнать об этом больше, ключевые слова включают квантовую хромодинамику и ограничение .

• Этот ответ также не пытался объяснить, почему кварки имеют свой особый образец электрических зарядов. Если вы хотите узнать об этом больше, ключевые слова включают нарушение электрослабой симметрии и киральные аномалии .

• Если вы хотите узнать больше об общих условиях, при которых все электрические заряды должны быть целыми кратными некоторому базовому заряду (который в реальном мире представляет собой электрический заряд нижнего кварка), ключевыми словами являются квантование заряда и компактная калибровочная группа .

• Для экспериментальной точки зрения, которая делает все эти математические вещи актуальными, см. ответ anna v .

Есть ли какая-то теоретическая причина отсутствия составных частиц, которая привела бы к дробным зарядам?

Экспериментальным фактом является то, что в данных большого числа экспериментов по физике высоких энергий нет доли частиц с зарядом электрона.

Итак, необходимо было разработать теорию, которая математически соответствовала бы этому экспериментальному наблюдению.

Эта теория представляет собой стандартную модель физики элементарных частиц, представленную группами$SU(3) \times SU(2) \times U(1)$которые дают разрешенные представления. Он выбран потому, что не имеет дробных зарядов, чтобы согласовываться с экспериментальными данными. . Таким образом, теория по своей конструкции не может иметь частицу или комбинацию частица-античастица с дробным зарядом для наблюдаемых частиц на массовой оболочке.

Здесь можно увидеть концепцию цветовых зарядов кварков и цветовой нейтральности частиц массовой оболочки, что также способствует спариванию. Интересное наблюдение, хотя и не имеющее прямого отношения к делу:

Обоснование концепции цвета можно проиллюстрировать на примере омега-минус, бариона, состоящего из трех странных кварков. Поскольку кварки являются фермионами со спином 1/2, они должны подчиняться принципу запрета Паули и не могут существовать в одинаковых состояниях. Таким образом, с тремя странными кварками свойство, которое их отличает, должно иметь по крайней мере три различных значения.

Математика стандартной модели описывает данные, которые у нас есть в настоящее время, в отношении зарядов полностью, путем построения. Если бы в будущем такая частица была обнаружена, стандартную модель пришлось бы расширить или изменить.

Кварковые струи были экспериментально изучены , чтобы увидеть, виден ли их относительный заряд в распределении частиц струи, и в статье говорится, что их исследование подтверждает относительные заряды пар вершин-неверхней части, полученных в эксперименте .