Kann ein zusammengesetztes Boson wie das Pion ein Austauschteilchen für die starke Kernkraft sein?

Auf der fundamentalen Ebene wird die starke Kraft durch die Quantenchromodynamik beschrieben , die die Theorie der Quarks und Gluonen ist (entwickelt in den 1960er Jahren).

Betrachten Sie zum Beispiel die Kollision eines Protons und eines Neutrons: Mit dieser Theorie sieht die Wechselwirkung so aus. _{(Bild aus Hyperphysik - Fundamentale Kräfte - Die starke Kraft )}

Es gibt aber auch die Mesonentheorie der Kernkräfte (eine ältere Theorie, die bereits 1935 von Yukawa entwickelt wurde). Diese Theorie behandelt die Nukleonen (Proton$p$, und Neutron$n$) als elementar und modelliert die Wechselwirkung zwischen diesen durch den Austausch von Pionen ($\pi^0$,$\pi^+$,$\pi^-$).

Mit dieser Theorie sieht die Kollision von Proton und Neutron so aus. _{(Bild aus Hyperphysik - Fundamentale Kräfte - Die starke Kraft )}

Diese Theorie kann die Physik von Atomkernen und Kollisionen zwischen Nukleonen erfolgreich erklären.

Es kann jedoch nicht die korrekten experimentellen Ergebnisse vorhersagen, wenn die Kollisionsenergien höher sind als$\approx 200\text{ MeV}$(oder äquivalent, wenn sich die Partikel näher kommen als$\approx 10^{-15}\text{ m}$).

Physikern ist aufgefallen, dass die einfachere Mesonentheorie der Kernkräfte tatsächlich eine Annäherung an die vollständige Theorie der Quantenchromodynamik ist , wenn sie auf niedrige Energien beschränkt ist ($<200\text{ MeV}$). Sie können sich eine intuitive Vorstellung von dieser Annäherung machen, indem Sie sich das erste Bild oben ansehen. Verkleinern, einige Details vernachlässigen, und Sie gelangen zum zweiten Bild.

Darüber hinaus sagt die vollständige Theorie der Quantenchromodynamik auch die Existenz und die Eigenschaften anderer Baryonen jenseits von Nukleonen (wie z$\Lambda$,$\Sigma$,$\Delta$,$\Xi$,$\Omega$) und andere Mesonen jenseits von Pionen (wie$K$,$\eta$).

Es ist vielleicht irreführend, in Quantenfeldtheorien von Kräften zu sprechen, denn am Ende des Tages haben wir nur eine Ansammlung von Feldern, die auf bestimmte Weise interagieren. Letztendlich glaube ich, dass der Grund, warum wir bestimmte Dinge immer noch als "Kräfte" bezeichnen, der Elektromagnetismus und die Art und Weise ist, wie sich die Dinge historisch entwickelt haben.

Am Ende ist das Standardmodell eine Eichtheorie mit vielen ausgefallenen Glocken und Pfeifen, die sicherstellen, dass es alles tut, was wir brauchen. Aber es ist trotzdem eine Eichtheorie. Die Sprache, die die Menschen entwickelt haben, um über diese Dinge zu sprechen, bezieht sich auf die Eichpotentiale als Träger oder Vermittler einer Kraft. Im Fall des Standardmodells gibt es zwar eine Symmetriebrechung, die die Dinge etwas komplizierter macht, aber wir bezeichnen die Felder, die von den ursprünglichen Eichpotentialen stammen (von denen einige jetzt Massen aufgenommen haben), als Träger einer gewissen Kraft.

Meistens handelt es sich also nur um einen Ausdruck, der verwendet wird, um sich auf eine bestimmte Art von Feld in der Theorie zu beziehen.