Strona głównaPytania → Ładunki elektryczne i materia

Ładunki elektryczne i materia

Pytanie

Pyta Adam

Czy równowaga elektryczna materii Wszechświata jest przyjmowana przez fizyków tylko jako swego rodzaju aksjomat? W dostępnej literaturze z zakresu fizyki cząstek dobrze opisano kreację leptonów (1 elektronu i 1 pozytonu) z 2 lub 3 fotonów. Kreacja ta uzasadniała by równowagą ładunkową materii po fazie Plancka Wielkiego Wybuchu. No ale pozostają nam jeszcze naładowane bariony zbudowane z kwarków. I tu kłopot przede wszystkim z "idiotycznym" podziałem ładunku na dokładnie-dokładnie 3 (tj. niczym nie uzasadnionym – nawet, nie przez reguły symetrii – bo podział byłby wtedy parzysty). Ponadto, nie obserwuje się też jakiejś zwięzłej reakcji zamiany kwarków na leptony (powszechnie znany rozpad neutronu na proton, elektron i neutrino nic nie tłumaczy, bo kwarki nadal w nim po reakcji pozostają). Dziwi mnie, że tyle uwagi fizyków przykuwa asymetria ilości materii i trochę bardziej egzotycznej antymaterii, podczas gdy nasz "kochany elektronik" traktowany jest po macoszemu. Napisałem "kochany elektron", bo to głównie on buduje nieskończone warianty chemicznych własności materii, z której jesteśmy zbudowani i nie pozwala zapadać się atomowi poprzez jakieś dziwne oddziaływanie, słusznie chyba nazwane przez Pauliego "zakazem".

Odpowiedź

Odpowiada Mikołaj Misiak

1. W żadnym z przeprowadzonych dotychczas doświadczeń i/lub obserwacji astronomicznych nie stwierdzono naruszenia zasady zachowania ładunku elektrycznego. W teorii oddziaływań elektromagnetycznych zasada ta wynika z symetrii, tzw. symetrii cechowania. Symetria cechowania jest istotnie swojego rodzaju aksjomatem (postulatem teorii), który umożliwia nam stworzenie prostej teorii opisującej poprawnie setki tysięcy doświadczeń i obserwacji.

2. W teorii oddziaływań elektrosłabych (Modelu Standardowym) ładunki elektryczne leptonów i kwarków są na pierwszy rzut oka dowolne, i relacja (-1):(+2/3):(-1/3) wydaje się istotnie dziwna. Głębsza analiza wskazuje jednak, że bez tej relacji w naszej teorii wystąpiłoby naruszenie symetrii cechowania przez efekty kwantowe (tzw. anomalie) co uczyniłoby ją wewnętrznie niespójną. Hipoteza Wielkiej Unifikacji oddziaływań silnych i elektrosłabych (tzw. teoria SU(5)) przewiduje jednoznacznie poprawne wartości stosunków ładunków elektrycznych wszystkich kwarków i leptonów bez odwoływania się do problemu anomalii kwantowych.

3. Postulatami definiującymi Model Standardowy jest określenie występujących w nim pól (wszystkie odpowiadają zaobserwowanym cząstkom) oraz żądanych symetrii cechowania. Mając te dane jesteśmy w stanie napisać wzory opisujące wszystkie dopuszczalne oddziaływania i sprawdzić, czy nie pojawiają się w nich automatycznie jakieś dodatkowe symetrie, których nie narzuciliśmy wcześniej w drodze postulatu. Wykonanie tego obliczenia prowadzi do wniosku, że takie symetrie istotnie pojawiają się, i prowadzą do zasad zachowania liczby barionowej B i liczby leptonowej L na poziomie klasycznym. Kwark (antykwark) ma B = +1/3 (-1/3), a lepton (antylepton) L = +1 (-1). Rozpad protonu na antyelektron (pozyton) i neutralny pion $\pi^0$ byłby dopuszczalny przez zasadę zachowania ładunku, ale pozostaje zabroniony przez zasady zachowania B i L. We wspomnianej wyżej teorii Wielkiej Unifikacji nie mamy już zachowania B i L, co dopuszcza niestabilność protonu. Jego czas życia jest jednak o wiele rzędów wielkości dłuższy od obecnego wieku Wszechświata.