Si los quarks tienen cargas +2/3 e y -1/3 e, ¿por qué todavía se llama al electrón y al protón a tener cargas fundamentales?

Los Quarks tienen cargas fraccionarias y dado que un protón (o un neutrón) es una partícula compuesta, está hecho de 3 quarks de tal manera que la suma de las cargas de los tres quarks se suman a un número entero. Entonces la suma es +1 para un protón y 0 para un neutrón.

En lo que respecta a un protón o un neutrón, las partículas fundamentales o elementales son quarks. Las interacciones entre quarks y anti quarks están mediadas por bosones medidores llamados gluones y la teoría de quarks y gluones se llama cromodinámica cuántica (QCD).

Esta es la teoría de campo cuántico invariante relativista (QFT) y tiene una invariancia de indicador de SU (3) y es por eso que requiere 8 tipos diferentes de gluones. La invariancia de calibre de un QFT implica grados adicionales de libertad asociados con los campos cuánticos de la teoría. Físicamente significa una rotación en cierto espacio. SU (3) significa una rotación en un espacio de 4 dimensiones que mantiene fijo el eje de rotación.

El electrón, por otro lado, es una partícula fundamental y tiene una carga de -1. La interacción de un electrón con otro electrón o su antipartícula (positrón) está mediada por un bosón de calibre llamado fotón. La QFT de electrones, positrones y fotones se llama electrodinámica cuántica (QED). Esto es QFT con indicador U (1). El indicador AU (1) significa una rotación en un espacio bidimensional que mantiene fijo el eje de rotación.

Podría surgir una situación física en la que uno necesita combinar QCD y QED. Un ejemplo podría ser la descomposición de una partícula inestable llamada mesón pi neutro en 2 fotones de rayos gamma. Tal decadencia se observó por primera vez en 1949.

Para que se produzca dicha descomposición, la combinación de QCD y QED debe estar libre de una enfermedad particular que a veces afecta a una QFT. Esta enfermedad se llama ruptura de simetría anómala.

La ruptura de simetría anómala puede tomar la forma de anomalía del vector axial. Axial-vector es un vector asociado con un objeto giratorio, por ejemplo, el vector de momento angular.

Normalmente en una teoría como QED masivo o QCD sin masa, la simetría del vector axial se conserva en 4 dimensiones, pero puede romperse de forma anómala. En ese caso, un vector axial (un fermión) que gira en sentido horario puede transformarse espontáneamente en un vector axial que gira en sentido antihorario (un anti fermión) acompañado de la emisión de un bosón de calibre. Este es un fenómeno puramente cuántico mecánico sin análogo clásico. Conduce a la descomposición del mesón pi neutro.

La QFT unificada de fuerza electromagnética y fuerza débil se conoce como la teoría electro-débil. Esta teoría proporciona una descripción completa de estas dos interacciones fundamentales. Para que esta teoría esté libre de la enfermedad de anomalías del vactor axial, se requiere que en cada generación de quarks y leptones, las cargas de quarks sean fraccionales.

Estas cargas fraccionarias deben organizarse de tal manera que su suma cancele exactamente la carga integral del leptón (por ejemplo, el electrón). Es por eso que en la primera generación de quarks y leptones, el quark up tiene una carga de +2/3, el quark down -1/3 y la carga del electrón es -1. Esta predicción teórica coincide exactamente con los valores medidos de las cargas de estas partículas elementales.

Uno debería recordar que los quarks no existen como partículas libres, lo que no es el caso de todas las demás partículas que transportan múltiples de esta carga elemental. Además, el concepto de la carga primaria se remonta en el tiempo a 1909 cuando Milikan estaba realizando su histórico experimento de caída de petróleo. Experimento de caída de aceite Millikan | física mientras que el modelo de quark fue propuesto independientemente por los físicos Murray Gell-Mann y George Zweig solo en 1964. Quark – Wikipedia

Porque los quarks no tienen su existencia independiente.

No pueden existir individualmente como protones y electrones.

Hasta que una cosa pueda existir independientemente, no se puede llamar fundamental.

Los Quarks siempre están en el estado límite.

Editar:

Lalit me ha pedido que vuelva a verificar si un quark es una partícula fundamental o no. Y sí, el quark es una partícula fundamental.

Creo que he cometido el error de “Juego de palabras” en la tercera declaración.
A pesar de que estas partículas fundamentales de la naturaleza se llaman “fundamentales”, podría seguir argumentando que estas partículas junto con las fuerzas de la naturaleza deben su existencia a las cuerdas, como lo predice la teoría de cuerdas. Por lo tanto, puedo argumentar que las cadenas son fundamentales.

De hecho, ahora siento que la pregunta necesita una pequeña edición. No es fundamental, pero la palabra correcta debe ser “elemental”. En esa perspectiva, te darás cuenta de que los quarks no son elementales porque no andan libremente, pero sí vemos electrones y protones en estado libre.

Recientemente encontramos partículas con carga fraccionaria como quarks (y anyons en sólidos), antes de eso solo vimos múltiplos enteros de e . Pero la carga de una partícula alfa es +2 e , ¿eso también te molesta? El alfa es una partícula compuesta; también lo es el protón. No parece que el electrón sea compuesto. Esa es la diferencia.

Puede deberse al hecho de que el electrón y el protón pueden existir en estado libre, mientras que el quark no. Los Quarks solo pueden existir en estado unido, lo que significa que no puede tener un solo quark libre (los quarks siempre hacen alguna otra partícula) mientras que puede tener un electrón o protón libre.