Quarks con carga fraccionaria

Question

Me pregunto cuáles son las pruebas de que los quarks tienen carga fraccionaria, ¿basta con decir que, como vemos una dispersión inelástica profunda de electrones (a altas energías) en el núcleo de un átomo (protones y neutrones), debemos suponer que hay tres componentes constituyentes de protones/neutrones y que, por tanto, deben tener carga fraccionaria?

Es que como vemos tres sabores constituyentes de quark (y luego suponiendo que son de carga entera como el electrón) no podríamos sumar tres combinaciones para igualar la del neutrón (es decir, 0). Si fueran de espín entero siempre veríamos hadrones de +1 y -1 formados por tres quarks?

Answer 1

Los quarks tienen carga fraccionaria no sólo por encajar los constituyentes protón y neutrón. Existe una enorme base de datos de resonancias hadrónicas que dieron lugar a la modelo quark la norma SU(3)xSU(2)x(U(1) de la física de partículas.

Los números cuánticos asignados a los quarks son importantes, entre ellos la carga de 1/3 y 2/3 y las asignaciones de color. Las representaciones de las resonancias no se ajustarían al modelo con cargas diferentes.

Un ejemplo de las simetrías que condujeron al modelo de los quarks"

El decuplo de bariones S = 32

El Omega menos fue una de las primeras predicciones del modelo de los quarks, antes de que se encontrara en Datos de la cámara de burbujas de Brookhaven .

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¿Por qué la estructura de desacoplamiento anterior ( y todas las demás representaciones del enlace ) es una "prueba" de la carga fraccionaria de los quarks?

Estas estructuras se describen mediante un grupo denominado SU(3) . Se trata de una estructura de representación rígida, más complicada que la de un cristal que presenta simetrías simples. El hecho de que todas las resonancias hadrónicas conocidas tengan un nicho en una de estas representaciones, permite identificar los constituyentes de los hadrones con los vectores unitarios básicos de la simetría SU(3), como tres "quarks".

Las resonancias en sus nichos tienen cargas. Para que las cargas sean consistentes los quarks tienen que identificarse con carga fraccionaria , sumar 1 y -1 y 0 ( números enteros), y además, la complejidad de las representaciones (cada nicho va acompañado de constantes de grupo) impone que las fracciones sean +/- 1/3 o +/-2/3 para encajar las resonancias en los nichos adecuados con la carga correcta. De lo contrario, la simetría se rompería y las piezas del puzzle no encajarían.

El hecho de que el Omega menos fuera previsión y luego se descubrió, afianzó el modelo, aunque las bellas simetrías ya habían convencido a la mayoría de los físicos de la época.

Answer 2

1) El espín del protón y del neutrón es 1/2. Los experimentos de dispersión inelástica profunda (DIS) de los años setenta (y posteriores) demostraron que el protón (neutrón) está formado por subpartículas cargadas que también son fermiones, los quarks. La regla de la adición del momento angular obliga a que el número de quarks (hablando sólo de los quarks de valencia) en el protón y el neutrón sea un número impar. Se excluye el 1 ya que el protón/neutrón sería elemental. El siguiente es 3.

2) Ahora la carga del protón es 1 mientras que la del neutrón es 0. La conservación de la simetría de isospín en la interacción fuerte (verificada experimentalmente mucho antes de los años 70) sugería que el neutrón y el protón debían estar formados por el mismo tipo de quarks. La restricción de carga impone en los mínimos 2 tipos de quarks, que ahora llamamos u y d con carga 2/3 y -1/3 respectivamente.

3) Además, el DIS limitó las funciones estructurales del protón (y del neutrón). El análisis de estas funciones de estructura (obtenidas a partir de la medición de la sección transversal de la dispersión de un electrón con el protón) confirmó que en el protón hay el doble de u-quarks (de carga 2/3) que de d-quark (de carga -1/3, pero el signo no importa ya que en las funciones de estructura sólo importan las cargas al cuadrado) y el doble de d en el neutrón que de u-quark.