Strona głównaPytania → Dlaczego proton i elektron mają...

Dlaczego proton i elektron mają dokładnie przeciwny ładunek elektryczny?

Pytanie

Pyta Jacek

Czy jest jakieś wyjaśnienie dlaczego cząstki proton i elektron mają taki sam ładunek elektryczny co do wartości bezwzględnej, podczas gdy masa protonu jest ok. 1830 razy większa od masy elektronu?

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

Tak, jest wyjaśnienie, i to bardzo subtelne. Proton jest stanem związanym trzech kwarków, a jego ładunek elektryczny jest sumą ładunków tych kwarków. Ładunki elektryczne cząstek nie są w teorii oddziaływań elektrosłabych określane na mocy postulatów teorii. Wynikają one z wartości postulowanych ładunków słabych i tzw. hiperładunków. Stosunki ładunków słabych są określone jednoznacznie, ale hiperładunki wydają się na pierwszy rzut oka dowolne, co oznaczałoby również dowolny stosunek ładunku protonu do ładunku elektronu.

Na poziomie kwantowej teorii pola okazuje się jednak, że stosunki hiperładunków różnych cząstek nie są dowolne. Konstrukcja teorii oparta jest na symetrii względem tzw. transformacji cechowania, które w skorelowany sposób zmieniają wartości pól w różnych punktach czasoprzestrzeni. Symetria ta byłaby zachowana na poziomie klasycznej teorii pola dla zupełnie dowolnych hiperładunków. Spójność matematyczna teorii wymaga jednak zażądania zachowania tej symetrii również na poziomie kwantowym, czyli braku tzw. anomalii. Warunki braku anomalii sprowadzają się do układu równań (w większości liniowych) na hiperładunki. Rozwiązując te równania stwierdzamy, że stosunki hiperładunków są określone jednoznacznie. Możemy z tego wyciągnąć wnioski co do ładunków elektrycznych, i okazuje się, że ładunki elektryczne każdego z kwarków muszą być równe dokładnie -1/3 ładunku elektronu. Tak więc ładunki elektronu i protonu muszą być co do modułu dokładnie równe.

Powyższe rozumowanie przeprowadzane jest przy założeniu takiego składu pól i ich przekształceń względem symetrii cechowania jaki występuje w Modelu Standardowym, tylko z dokładnością do pytania o ewentualną zmianę wartości hiperładunków. Gdybyśmy dodali do Modelu Standardowego jakieś nowe pola (opisujące nieodkryte jeszcze cząstki), to warunek braku anomalii mógłby się okazać niewystarczający, aby jednoznacznie określić stosunki hiperładunków. Możliwe są jednak inne argumenty oparte na tzw. teorii wielkiej unifikacji, o ile jest ona realizowana w Naturze. W teorii tej wszystkie symetrie cechowania łączone są w jedną symetrię, a proton okazuje się mieć skończony czas życia, znacznie jednak dłuższy od obecnego wieku Wszechświata.