¿Por qué el protón es mucho más masivo que el electrón y tiene la misma carga?

La respuesta de Varun es la correcta para lo que entiendo que es la esencia de la pregunta. Frank explica muy bien por qué los parámetros como las constantes de acoplamiento del modelo estándar dan lugar a la relación de masa observada. Pero no sabemos por qué estos parámetros son como son. Esperamos por un tiempo que la teoría de cuerdas pueda calcular estos parámetros, pero hasta ahora parece que casi cualquier combinación es posible. Por lo tanto, gran parte del pensamiento actual se centra en las teorías del multiverso (consulte el Paisaje Cósmico de Susskind) que dice que esencialmente todos estos universos existen. Sin embargo, si las proporciones de los parámetros son incluso ligeramente diferentes de lo que observamos, entonces sucede todo tipo de cosas (como las estrellas no pueden existir, no habrá química, etc.) y la vida sería imposible.

Entonces, en un sentido muy real, la respuesta a “por qué es 1837” es “no podría ser muy diferente que usted esté cerca para hacer la pregunta”.

Extraño, lo sé. Vale la pena leer en profundidad

Según el Modelo Estándar de Física de Partículas, el electrón es una partícula elemental y el protón es una partícula compuesta que contiene 2 quarks arriba y 1 quark abajo. La masa de 2 quarks ascendentes y un quark descendente es 18 veces la masa del electrón (ver (2 * masa de quark up + masa de quark down) / (masa de electrón)). Entonces, esto solo explica una parte muy pequeña (1%) de la diferencia de masa que medimos.

El otro 99% de la diferencia de masa proviene de la energía de unión al gluón que mantiene unidos a los 3 quarks en el protón. En cierto sentido, esta energía de unión también incluye cualquier energía cinética que los quarks puedan tener a medida que se mueven dentro del protón. La fuerza que mantiene unidos a los quarks se llama fuerza de color y es cientos de veces más fuerte que la fuerza electromagnética. Más importante aún, la fuerza del color no disminuye con la distancia como lo hace la fuerza electromagnética. Entonces, el misterio del protón es cómo sumar 3 quarks muy ligeros para producir una partícula compuesta más pesada . En contraste, cuando la fuerza electromagnética une un electrón a un protón para producir el átomo de hidrógeno, el átomo de hidrógeno es más liviano que la suma de las masas del electrón y el protón en aproximadamente [matemáticas] 13 \ electrón \ Voltios / c ^ 2 [/ matemáticas].

La carga del protón y el electrón

La razón por la cual la carga del protón es de la misma magnitud que la carga del electrón es porque la carga está cuantificada y conservada. Como un neutrón neutro puede descomponerse en un protón, un electrón y un antineutrino neutro, el protón y el electrón deben tener cargas iguales y opuestas.

Pero un protón con una unidad de carga se compone de tres quarks: dos quarks arriba y uno abajo. Para que esto funcione, resulta que el quark up tiene una carga de +2/3 de la unidad de carga y el quark down tiene -1/3 unidad de carga. Entonces, la suma de las cargas es +1 unidad, mientras que el electrón tiene -1 unidad de carga. Hay algo de masa asociada con la carga del electrón y el protón, pero para el protón no es significativo ya que la carga termina siendo untada, en promedio, sobre el tamaño relativamente grande del protón. Sin embargo, dado que el electrón es una partícula elemental, si calcula ingenuamente la masa del campo eléctrico de una partícula puntual (como el electrón) obtendría infinito. Aquí es donde se utiliza el procedimiento de renormalización de la teoría de campo para llegar a una carga finita y una masa finita para una partícula elemental como un electrón dejando que la carga “desnuda” y la masa “desnuda” vayan a cero a medida que las partes de mayor energía de los cálculos se incluyen para dar la masa real medida y la carga del electrón.

Comparación de fuerza de color y fuerza electrostática

Para explicar cómo la energía de unión de la fuerza del color le da al protón la mayor parte de su masa, explicaré cómo difieren la fuerza del color y la fuerza electrostática.

Para el átomo de hidrógeno, la fuerza entre el electrón y el protón (en términos clásicos) varía como [matemática] 1 / r ^ 2 [/ matemática], de modo que cuando el electrón y el protón están separados por una gran distancia, la fuerza va a 0, por lo que A gran distancia, el electrón y el protón se convertirán en partículas libres. Por lo tanto, es posible comparar la masa del electrón desnudo y el protón con la masa del átomo de hidrógeno y, de hecho, el átomo de hidrógeno tendrá menos masa que la suma de las masas del electrón y el protón. Tenga en cuenta que cuando el electrón y el protón están muy cerca, la fuerza entre ellos aumenta hasta el infinito. También tenga en cuenta que para la fuerza electrostática la carga puede ser [matemática] + [/ matemática] o [matemática] – [/ matemática].

Sin embargo, la fuerza de color entre dos (o tres) quarks es bastante diferente. En un modelo muy simplificado, puede pensar que la fuerza entre dos quarks varía como [matemática] r [/ matemática] o [matemática] r ^ 2 [/ matemática]. En primer lugar, tenga en cuenta que cuando [math] r \ rightarrow 0 [/ math] la fuerza va a 0. Esta es la libertad asintótica de la fuerza de color que se descubrió en 1973 y por la que Gross, Wilczek y Politzer recibieron el Premio Nobel. en Física en 2004. Esto significa que a energías muy altas (y distancias cortas) los quarks actúan como partículas libres y la fuerza del color es pequeña.

Cuando [math] r \ rightarrow \ infty [/ math] la fuerza va a [math] \ infty [/ math]. Este modelo de una fuerza que aumenta con la distancia es otra declaración del principio de confinamiento del color en la cromodinámica cuántica (QCD). Entonces, si comienzas con los tres quarks unidos al protón y tratas de sacar uno de los quarks del protón, tomará más y más fuerza y, por lo tanto, más y más energía a medida que sacas el quark. Entonces, cuando intentas separar el quark del protón, el protón en realidad se vuelve más pesado. De hecho, en algún momento, cuando se ha agregado suficiente energía al sistema, se vuelve energéticamente favorable crear un nuevo par [matemático] q \ bar {q} [/ matemático] en la región entre el quark y el “protón” residual. Ahora, el [math] \ bar {q} [/ math] recién creado se sentirá atraído por el quark que se extrae del protón, mientras que el otro [math] q [/ math] recién creado volverá a protón que luego constituirá un protón normal nuevamente con 3 quarks. Mientras tanto, la [math] q [/ math] que se está extrayendo y la recién creada [math] \ bar {q} [/ math] se unirán como un mesón, por lo tanto, el intento de extraer un quark de un protón dará como resultado un estado final que tiene un mesón y un protón. Obviamente, estas dos partículas serán más pesadas que un solo protón, por lo que esto es similar al caso del átomo de hidrógeno donde las partículas separadas son más pesadas que la partícula original.

Entonces, lo extraño de la fuerte fuerza de color es que debido al hecho de que la fuerza aumenta con la distancia en lugar de disminuir con la distancia, es imposible separar el estado unido de los quarks en quarks individuales y, por lo tanto, es imposible comparar las masas constituyentes con La masa del estado unido. Pero cuando intente separar un quark de un estado unido de quarks, terminará creando nuevos tipos de partículas y estas nuevas partículas serán más pesadas que el estado original de los quarks.

La fuerza fuerte se llama fuerza de color porque hay 3 tipos diferentes de “cargas” de color en QCD, a diferencia de la electrostática que solo tiene 1 carga. Las cargas de color pueden ser + Rojo, -rojo. + Verde, -Verde, + Azul o -Azul justo en la carga eléctrica puede ser “+” o “-“. (No hay colores “reales”, por supuesto, los físicos solo usan el término color ya que hay 3 colores primarios que coinciden con los nombres necesarios para las 3 “cargas” diferentes de los quarks) Una de las razones por las que la fuerza del color fuerte entre dos o tres quarks es diferente de la fuerza electrostática entre un electrón y un protón, ya que los portadores de fuerza de la fuerza fuerte (los gluones) también están coloreados, por lo tanto, los gluones también se atraen fuertemente entre sí. Mientras que en el caso electrostático, los portadores de fuerza (fotones virtuales) no están cargados, por lo que dos fotones virtuales no se atraen entre sí. Se cree que el hecho de que los gluones interactúen con otros gluones con la misma fuerza de color fuerte es la razón del confinamiento del color. Cuando se separan dos quarks, se cree que se formará un tubo de gluones que interactúan entre sí entre los quarks que se separan, actuando como una banda de goma que los une con una fuerza más fuerte a medida que aumenta la separación. Aquí se muestra un dibujo de cómo se rompe el tubo de flujo con la creación de un par [math] q \ bar {q} [/ math]:

Por supuesto, la otra diferencia es que la fuerza fuerte es fuerte, en particular, la constante de acoplamiento es del orden de 1, mientras que la constante de acoplamiento de la fuerza electromagnética es [matemática] \ alpha = 1/137 [/ matemática] que es de 2 órdenes de magnitud más pequeño que la fuerza fuerte. Por supuesto, la verdadera razón por la que la fuerte fuerza del color actúa de una manera tan diferente a la fuerza electromagnética se debe a las matemáticas e interacciones detalladas de las simetrías del grupo de indicadores de las diferentes fuerzas, pero eso es demasiado complicado de explicar en Quora.

¿Por qué el protón tiene el tamaño que tiene?

Entonces, si la fuerza del color es tan fuerte, ¿por qué los 3 quarks no están agrupados en un volumen muy pequeño en lugar de llenar el volumen esférico fermónico aproximado de 1,6 del protón? Bueno, la misma pregunta podría hacerse sobre el átomo de hidrógeno, ¿por qué el protón no acerca el electrón muy cerca y forma un átomo pequeño? Después de que toda la fuerza aumenta entre ellos cuanto más cerca están juntos. La razón es QM como en el principio de incertidumbre de Heisenberg. Si el electrón se localizara en un volumen pequeño, la incertidumbre en su momento tendría que ser grande, lo que significa que viajaría inmediatamente fuera de ese pequeño volumen. Del mismo modo, si todos los quarks estuvieran confinados en un pequeño volumen, su incertidumbre de impulso sería grande y se separarían. Además, la fuerza del color es débil a corta distancia, por lo que realmente no hay una fuerza fuerte que intente mantenerlos en un volumen pequeño de la forma en que el protón intenta mantener el electrón cerca en hidrógeno. De hecho, la fuerza del color realmente se activa cuando los quarks están separados por aproximadamente un fermi más o menos. Entonces, el protón es realmente una especie de bolsa que tiene los quarks y los gluones moviéndose libremente cuando están en el interior, pero se vuelven y empujan hacia adentro cuando llegan a la superficie de la bolsa.

¿Cómo se relaciona la fuerza del color con las cuatro fuerzas fundamentales conocidas?

Las 4 fuerzas conocidas que la mayoría de la gente ha aprendido en orden de mayor a menor son:

1. Fuerza nuclear fuerte : mantiene los neutrones y protones juntos en el núcleo
2. Fuerza electromagnética : mantiene los electrones en el núcleo del átomo y mantiene los átomos juntos en moléculas.
3. Fuerza nuclear débil : principalmente responsable de la desintegración radiactiva con emisión de electrones, positrones y neutrinos
4. Fuerza gravitacional : nos mantiene en la tierra y mantiene los planetas en órbitas alrededor del sol

Entonces, ¿cómo encaja la fuerza del color en este esquema? Bueno, es realmente responsable de la fuerza nuclear fuerte, además de ser la fuerza más fundamental que mantiene unidos a los quarks dentro de un protón (o neutrón). Lo que sucede es que cuando los nucleones (ya sea protones o neutrones) están cerca uno del otro en el núcleo, la fuerza de color muy fuerte se escapa fuera de los límites de los nucleones (que se tocan) y hace que los nucleones se atraigan entre sí. Entonces, es realmente una fuga de la fuerza de color que mantiene unido el núcleo.

El protón y el neutrón en general no tienen carga neta de color; están descargados en el sentido de que un átomo neutro de hidrógeno no tiene carga eléctrica neta a pesar de que está formado por dos partículas cargadas. De la misma manera que la “fuga” de la fuerza eléctrica permite que dos átomos de hidrógeno se atraigan entre sí y formen una molécula [matemática] H ^ 2 [/ matemática], de manera similar la “fuga” de la carga de color permite un protón y un neutrón que se atraerá entre sí y formará un núcleo de deuterio. Casi se podría imaginar que el protón, en general, no tiene color en promedio, pero hay pequeños parches aquí y allá en la superficie del protón que sí tienen carga y que le permiten unirse a otros nucleones.

Las respuestas aquí son buenas, pero voy a intentar algo más informal.

Un protón tiene cosas zumbando por dentro. Un electrón no lo hace. Has escuchado que E = mc² . Más energía, más masa. El zumbido tiene energía, mucha. Entonces un protón es mucho más masivo.

(NOTA: Prácticamente todo lo que acabo de escribir es incompleto, tal vez de manera lamentable. Es energía / impulso, y un protón realmente no es una bolsa de canicas, y algo de energía de enlace no es lo mismo que silbar, y qué pasa con el acoplamiento de Higgs , y así sucesivamente. Por supuesto, existe el peligro de simplificar en exceso y transmitir una comprensión limitada, pero también existe el peligro de complicarse hasta el punto en que la comprensión ni siquiera comienza en primer lugar).

La respuesta de Frank Heile responde a la pregunta en términos del Modelo Estándar, pero aún contiene preguntas sobre por qué ciertas constantes tienen los valores que tienen y por qué la fuerza de color hace lo que hace. En consecuencia, una respuesta alternativa es, estrictamente hablando, no lo sabemos.

Nadie sabe con certeza por qué una partícula tiene masa. Pero para que el Modelo estándar de física de partículas funcione, la mayoría de los físicos creen que algo que ellos llaman el “campo de Higgs” (un campo de bosones de Higgs) es el único campo de energía que puede dar masa a una partícula.

Sin embargo, a medida que un electrón viaja a través de un campo de energía de protones, también creará la relación de masa protón / electrón de 1836/1.

Un electrón es una partícula elemental en un grupo llamado leptones y, por lo tanto, es una partícula fundamental, por otro lado, los protones y los neutrones están formados por quarks que también son partículas fundamentales.

Esta es una pregunta simple. La respuesta es que los protones y los electrones son partículas muy diferentes. Un protón es una partícula compuesta compuesta de quarks. Un electrón es una partícula subatómica elemental formada por ninguna subestructura. (Todavía no se ha probado debido a la teoría de cuerdas). El protón obtiene principalmente su carga de sus partículas constituyentes. Aquí, no contamos los gluones en el campo de gluones, porque los gluones no llevan carga. Los cargos de Quarks son diferentes. Up quarks, Charm quarks y Top quarks tienen una carga positiva de dos tercios. Los quarks abajo, los quarks extraños y los quarks inferiores tienen una carga negativa de un tercio. Un protón está formado por dos quarks arriba y uno abajo. Por lo tanto, tenemos que sumar los cargos. Tenemos dos tercios más dos tercios, menos un tercio. Esto equivale a una carga positiva completa. Sin mencionar que un electrón es uno de los fermiones más pequeños en el modelo estándar de una física de partículas. Recuerde, los neutrinos son extremadamente pequeños, y el neutrino asociado a un electrón es el más ligero. El modelo estándar predice que el electrón simplemente tiene una carga negativa.

Ummm, eres un idiota, el protón tiene una carga positiva, mientras que el electrón tiene una carga negativa, si este no fuera el caso y tuvieran la misma carga, los átomos no contendrían electrones, pero los protones son más masivos porque están hechos de quarks y gluones. mientras que el electrón no está hecho de otra cosa