Protón y electrón son partículas fundamentales. Por lo tanto, diferentes entre sí. Entonces, ¿cómo es que tienen la carga exactamente opuesta?

Mi respuesta breve es que no sabemos por qué la carga eléctrica viene en las unidades específicas que lo hace. Se cree que el protón está hecho de tres quarks, y los quarks tienen la carga formal de -1/3 y +2/3. ¿Por qué tercios? El electrón tiene una carga de -1, pero también vemos que, sin embargo, si combinas los quarks, en la naturaleza terminas con una carga integral. ¿Por qué? No lo sé, y no creo que nadie más lo sepa tampoco. (Podría estar equivocado allí, si es así, ilumíneme. El modelo estándar, por supuesto, describe y explica las partículas fundamentales reales, pero no creo que trate con esa pregunta de por qué).

La razón por la cual el electrón y el protón tienen carga opuesta es presumiblemente porque la suma de carga en el universo es igual a cero (hasta donde sabemos). Si suponemos que el Big Bang creó el Universo a partir de un “paquete” de energía no cargada, para conservar la carga, cada vez que se formaba un electrón, tenía que formarse una carga positiva igual en otro lugar, y el protón es la única entidad estable cargada positivamente.

Eso todavía deja abierta la pregunta de qué es exactamente la carga eléctrica y por qué ocurre en unidades discretas.

El electrón es una partícula fundamental con 1 unidad de carga de culombio. La teoría de campo cuántico (QFT), conocida como electrodinámica cuántica, describe el electrón y el campo electromagnético que se acopla a la carga de culombio.

Esta es una QFT invariante relativista con una invariancia de calibre U (1). Como el fotón no tiene masa, tiene un rango infinito. Además, dado que el fotón no lleva la carga del medidor, los fotones no interactúan entre sí. ¡Es por eso que 2 rayos de luz pueden cruzarse sin bloquearse entre sí!

El protón no es una partícula fundamental. Es una partícula compuesta que consta de 3 quarks: 2 quarks arriba y 1 quark abajo. Cada quark up lleva una carga de coulomb +2/3 y cada quark down lleva una carga de coulomb -1/3. Entonces, la carga total de culombio en un protón se suma a +1.

Además de la carga de culombio, un quark también lleva una carga de indicador SU (3). Esta carga se llama carga de color y viene en 3 sabores: rojo, azul y verde. Hay que tener en cuenta que estos colores no tienen nada que ver con los colores con los que estamos familiarizados. Esta es solo una convención para nombrar estos cargos de calibre.

Estas cargas de color actúan como las fuentes de los bosones de calibre SU (3) que median las fuertes interacciones de fuerza entre 2 quarks. Estos bosones qauge se conocen como gluones y puede haber 8 tipos diferentes de gluones dependiendo del tipo de carga de color que lleva porque, a diferencia de un fotón, un gluón lleva la carga del indicador del campo al que pertenece. Entonces 2 gluones pueden interactuar entre sí. La QFT que describe el comportamiento de los quarks y los gluones se llama cromodinámica cuántica (QCD).

El QCD muestra libertad asintótica a altas energías. Lo que significa que el fuerte acoplamiento del medidor de fuerza se debilita y finalmente se acerca a cero. En el lado de baja energía, el acoplamiento del medidor se fortalece y conduce al confinamiento. Debido a esta naturaleza limitante de QCD, los quarks y gluones están confinados en un volumen muy pequeño con un diámetro de 1 o 2 femto metro, el tamaño de un protón.

El protón no es una partícula fundamental, es una partícula compuesta, una partícula estructural, tiene dimensiones y constituyentes, cada protón está hecho de ti quarks (uud), u significa arriba, d significa abajo, el protón es de la familia Hadron (partículas pesadas ) El electrón es una partícula fundamental sin estructura, es un miembro de la familia Lepton (partículas ligeras)
La carga es una unidad universal, es la carga de electrones, ya que se sabe que el número atómico de un átomo es Z, que es el número de protones e igual al número de electrones, por lo tanto, para que el átomo sea neutral, la carga de el núcleo (+) debe ser igual a la carga de los electrones (-), entonces, la carga neta del átomo es cero, neutral, esta es la naturaleza intrínseca del átomo en general, por lo tanto, si se elimina un electrón, entonces el átomo será ionizado positivamente y viceversa.

Dado que los protones son partículas compuestas formadas por tres partículas con cargas eléctricas en menor cantidad que la carga eléctrica del electrón (2/3 e, 2/3 e, -1/3 e), la pregunta más profunda es cómo una partícula compuesta puede tener exactamente la carga necesaria para cancelar la carga del electrón para que se puedan formar átomos neutros.

No sabemos la respuesta, pero podría comenzar con el hecho de que la carga eléctrica se conserva exactamente. Luego está el resultado de nuestra mejor teoría del origen del universo que probablemente comenzó sin partículas y las partículas que emergieron rápidamente tuvieron que tener una carga eléctrica total de exactamente cero para conservar la carga eléctrica.

Se esperaría que cualquier disposición unida de carga neta se uniera en conjuntos de carga opuesta para producir las partículas más neutras posibles. Puede haber escalas extremadamente pequeñas para las que no es posible una neutralidad tan perfecta. No sabemos de una manera u otra. Sabemos que en la escala de los átomos esta neutralidad perfecta se logró para la mayoría de la materia ordinaria unos 300,000 años después de que nuestro universo comenzó.

Los protones no son fundamentales, sino que están hechos de quarks.

Uno podría suponer que las partículas fundamentales son ‘nudos en el espacio’ que pueden unirse de varias maneras que conducen a las partículas fundamentales. Como la carga es un tipo de nudo en una de las dimensiones superiores, se cuantifica.

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