¿Por qué los quarks solo tienen cargos de +2/3 o -1/3? ¿No es 1/3 o -2/3?

En la formulación estándar de Gell-Mann Zweig del modelo quark, los antiquarks tienen cargas de -2/3 e y 1/3 e, mientras que cada antiquark tiene el número barión -1/3, y cada quark tiene el número barión 1/3.

Los fermiones compuestos, como los protones y los neutrones, se construyen a partir de 3 quarks, como se descubrió más tarde como consecuencia de la teoría del indicador SU (3) de que los quarks están en una representación fundamental. La teoría requiere que, debido a las interacciones no perturbativas, los bariones estén formados por tres quarks para mantener la neutralidad del color. Los objetos que no son de color neutro tienen energía infinita.

Sin embargo, la carga eléctrica del protón es exactamente igual a la del electrón, con un muy, muy alto grado de precisión.

Por lo tanto, las asignaciones de carga 2/3 e y -1/3 e para los quarks son una forma de trabajar para la construcción de modelos, ya que esta asignación permite un protón, con un quark 2/3 e up, un quark 2/3 e up y una configuración de quark -1/3 e para tener carga + e, y para un neutrón con una configuración de udd, tener carga eléctrica 0 e.

Pero también hay antipartículas de neutrones y protones, así como anti-bariones más exóticos, que incluirían (anti) quarks con cargas -2/3 e, y 1/3 e.

Una vez dicho todo esto, debe entenderse que lo anterior, las asignaciones de cargos de Gell-Mann Zweig para los cargos de quark, no son las únicas asignaciones de cargos posibles.

De hecho, es posible usar cargas integrales para todos los quarks, de acuerdo con un esquema inventado por Han y Nambu, que sin embargo no se ha utilizado ampliamente.

En el esquema Han-Nambu, había tres colores quark, al igual que con el esquema de Gell-Man y Zweig. Pero los cargos de quark eran todos integrales.

Para la primera generación de quarks, en el esquema Han-Nambu, había quarks azules, verdes y rojos, que venían en versiones de arriba hacia abajo.

El quark up azul y verde tenía carga e, y el quark up azul tenía barión número 1, mientras que el quark up rojo cargaba 0, y los quarks verde y rojo no tenían número barión.

Los quarks azules y verdes tenían carga 0, y el rojo cargaba -e, mientras que los quark azules tenían barión número 1.

Puede parecer un esquema muy diferente, pero en realidad son completamente equivalentes para la construcción de modelos en el nivel más bajo.

El esquema de Gell-Mann y Zweig es el que ganó. Así que hablamos de cargos de quark “fraccionales” hoy,

Pero lo que a menudo se olvida es que los quarks están confinados y nunca pueden escapar al infinito espacial, por lo que podemos medir directamente sus cargas eléctricas de forma individual; esto implica que sus masas y sus cargas son ambiguas.

La masa y la carga son propiedades de los estados asintóticos en el formalismo LSZ, los Quarks, que están coloreados, no existen como estados asintóticos en QCD.

Si toma un electrón, un neutrino, tres quarks arriba y tres quarks abajo (toma tres quarks de cada tipo porque vienen en tres colores diferentes, y la teoría del campo cuántico ve como entidades distintas, por lo que también debería) se da cuenta de que la suma de sus cargos es cero. Esto es algo conveniente, pero no es casualidad que surja en nuestro universo.

Es una cosa llamada “cancelación de anomalías” que obliga a anular la suma de los cargos de cada familia de fermiones. En general, la palabra “anomalía” tiene un significado diferente en este blog, pero soy un experimentalista después de todo. Para un teórico, una anomalía es una pérdida de simetría de una teoría clásica cuando la teoría se cuantifica. Proviene de efectos cuánticos que dan una contribución no nula a la divergencia de una corriente conservada.

Aquí debería abrir un paréntesis largo donde explicaría las corrientes conservadas, el teorema de Noether y las conexiones con la simetría de una teoría. Creo que hay mejores lugares donde puedes aprender estas cosas, así que solo afirmo que no es crucial que comprendas completamente estos conceptos para llegar al final de esta publicación y disfrutar de ella.

Si las corrientes de medición -mediadas por el fotón, la W y la Z- son anómalas, perdemos una propiedad de la teoría descrita por “identidades Ward”, y eso es malo porque sobre las identidades Ward se basa la renormalizabilidad de la teoría. Una teoría renormalizable es necesaria para darle sentido y permitirnos obtener resultados; Una teoría no renormalizable requiere un número infinito de parámetros, correspondientes a los cortes arbitrarios que debemos imponer sobre el impulso que circula en bucles virtuales de partículas. Fue t Hooft quien demostró que las teorías de calibre locales son renormalizables, lo que las convirtió en un éxito instantáneo para los teóricos de partículas a principios de los años setenta.

Entonces, el modelo estándar, la teoría que todos conocemos y amamos, solo se puede renormalizar si los diagramas triangulares que acoplan una corriente axial a dos corrientes vectoriales cancelan su contribución por completo. Un ejemplo de tales diagramas se muestra a la derecha, donde una corriente de vector axial se acopla al tercer componente de isospin débil del fermión en el bucle triangular del fermión desde la izquierda, y dos corrientes vectoriales se acoplan a la carga eléctrica del fermión en la derecha. Tenga en cuenta que si estos diagramas se cancelan en el orden más bajo, lo harán en cada orden y la teoría seguirá siendo renormalizable.

La hermosa cancelación de la anomalía del triángulo se produce porque encontramos que hay una cancelación de estas contribuciones familia por familia [donde estamos considerando todos los fermiones de una familia como combinaciones como (u, d, ν, e), (c, s, ν, μ), etcétera] si los diagramas de triángulos con una corriente axial entrante (que trae un factor I_3, A del fermión en el bucle) y las dos corrientes vectoriales (que tienen dos factores proporcionales a las cargas de fermión Q, ya que la amplitud del acoplamiento fotón-fermión es proporcional a la carga) cancelar en general.
En otras palabras, debemos tener: Σ [I_3, A * Q ^ 2] = 0, donde Σ denota la suma de los miembros de una familia. Con un electrón, tres quarks arriba y tres abajo, encontramos:

(I_3, A) _e * Q_e ^ 2 + N_c * [(I_3, A) _u * (Q_u) ^ 2 + (I_3, A) _d * (Q_d) ^ 2]

(donde espero que los símbolos sean comprensibles: N_c es el número de colores de los quarks, I_3, A son el tercer componente de las isospinas débiles y Q son las cargas eléctricas). Esto se convierte en:

-1/2 * (-1) ^ 2 + 3 * [1/2 * (2/3) ^ 2 -1/2 * (- 1/3) ^ 2] = 0.

¡Entonces las anomalías se cancelan! También tenga en cuenta que si las cargas hacia arriba y hacia abajo fueran f y 1-f, con f diferente de 2/3 (digamos en un universo diferente), ¡se perdería la igualdad!

Créditos
Señor tommaso dorigo

Primero, en un mundo de antimateria, los modelos producirían tus quarks alternativos. Para la materia ordinaria, la respuesta simple es que el modelo estándar lo dice, sin embargo, eso no lo hace así. El mayor problema aquí es que el modelo también dice que no se puede aislar un quark, por lo que no se puede medir su carga. Es cierto que el modelo estándar predice muy bien el número de partículas que vemos, y bien podría ser que esté cerca de la verdad. pero en realidad no lo sabemos. Lo que sí sabemos es que el quark es una construcción útil que permite el cálculo de una serie de propiedades que observamos.

MC Physics sugeriría que se debe a las mono-cargas cuantificadas específicas que componen esos quarks en particular. Según esa teoría, los quarks son partículas elementales básicas que están formadas por (al menos) 2 cargas mono opuestas de tipo de carga con algunas de las cargas electrostáticas cuantificadas más fuertes conocidas. Un quark up (+2/3) tendría un tipo de carga positiva (+) con una fuerza de carga +1 uniéndose a un tipo de carga negativa con una carga de -1/3 para obtener una carga neta + 2 / 3 cobran por esa partícula elemental formada. Por el contrario, un quark down tendría una carga mono -2/3 unida a una carga mono +1/3 para una carga neta -1/3.

Respuesta corta: se debe a las combinaciones particulares de monocargos cuantificados específicos (tipo de carga y fuerza) que existen en la naturaleza, según la teoría de Física MC.