Wann/wie wurden/werden Quarks gebildet?

Die Bildung von Quarks ist gut verstanden und sie können auch heute wie jedes andere Teilchen erzeugt oder zerstört werden. Quarks werden routinemäßig an Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider erzeugt .

Nach der Quantenfeldtheorie sind Teilchen Störungen in Quantenfeldern . Jedem Teilchen ist ein Feld zugeordnet (Elektronenfeld trägt Elektronen, Quarkfeld trägt Quarks, Higgs-Feld trägt Higgs-Bosonen usw.). Um also ein beliebiges Teilchen (wie Elektron oder Quark) zu erzeugen, müssen Sie nur das entsprechende Feld mit genügend Energie stören. In Collidern geschieht dies, weil Sie Teilchen (Störungen in Feldern) kollidieren lassen, diese Kollisionen andere Quantenfelder stören und dies zur Erzeugung neuer Störungen (Teilchen) führt. Im Falle von Quarks führt dies zur Paarbildung , aber aufgrund des Confinements härten die Quarks aus und wir erkennen tatsächlich Jets.

Die ankommenden Teilchen für die Quarkpaarproduktion können verschiedener Art sein. Im LHC kollidieren wir mit Protonen, aber Quarks können zum Beispiel durch die Vernichtung von Elektronen und Positronen entstehen . Dies ist ein Beispiel für Vernichtung, bei der die Produkte keine Photonen, sondern schwerere Teilchen sind. Sie müssen nur die 2 Leptonen mit genügend Energie kollidieren lassen, um die Quarkproduktion zu ermöglichen.

Wir wissen nicht, was vor dem Urknall geschah. Aber nach dem Urknall wurden alle Quantenfelder (einschließlich Quarkfelder) massiv gestört, sodass viele Teilchen aller Art entstanden sind. Das zugrunde liegende Prinzip der Teilchenerzeugung ist beim Urknall und bei Collidern dasselbe: Störung eines Quantenfeldes. Der Unterschied besteht nur darin, woher die Störung kommt. Das Problem ist, dass Teilchen normalerweise paarweise (Teilchen und sein Antiteilchen) entstehen. Dies würde später zu einer vollständigen Vernichtung führen. Es ist noch nicht ganz klar, was dazu geführt hat, dass es jetzt Materie um uns herum gibt (was impliziert, dass beim Urknall mehr Teilchen als Antiteilchen produziert wurden). Dies hängt mit der Baryogenese zusammen , wie von Bert Barrois in seinem Kommentar erwähnt.

Quarks können in andere Teilchen umgewandelt werden, wenn sie annihilieren . Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie Quarks vernichten können, daher wäre eine vollständige Zusammenfassung umfangreich. Ein Beispiel ist die Vernichtung von Quarks in Mesonen. Mesonen sind zusammengesetzte Teilchen aus Quark und Antiquark. Bestimmte Mesonen enthalten Quark und Antiquark des gleichen Typs (wie neutral$\pi$Meson), so dass die Vernichtung stattfindet und die Lebensdauer solcher Teilchen kurz ist . Bei anderen Mesonen sind Quark und Anti-Quark unterschiedlicher Art, aber sie können immer noch wechselwirken, auch wenn es fraglich ist, ob man es "Vernichtung" nennen kann . Eine etwas ungewöhnlichere Wechselwirkung wäre zum Beispiel die Vernichtung von Bottom + Anti-Bottom-Quark zu Higgs-Boson .

Haben Physiker schon eine Ahnung, wie Quarks entstanden sind?

Es gibt konkurrierende Theorien und keine endgültigen Antworten darauf, wann die meisten Quarks im Universum entstanden sind. Die Nettozahl von Quarks minus Antiquarks dividiert durch drei wird als Baryonenzahl bezeichnet und diese Menge ist im Standardmodell eine konservierte Größe, mit Ausnahme dessen, was als Sphaleron- Prozesse bei sehr hohen Temperaturen (in den ersten Augenblicken nach dem Urknall) von 10 TeV bekannt ist.

Darüber hinaus sind Sphaleron-Prozesse kein ausreichender Mechanismus, um das Universum aus einem Null-Quark-Zustand mit reiner Energie zur Zeit = 0 zu bekommen, was viele Kosmologen gerne aus ästhetischen Gründen annehmen. Aber wenn dies die Anfangsbedingungen sind, dann muss es eine Art Baryonenzahl geben, die einen hochenergetischen Prozess verletzt, der neue Physik ist, um mehr Quarks als Antiquarks in großer Zahl zu erzeugen, weil wir die Baryonenasymmetrie nicht anders erklären können des Universums (dh der sehr einseitige Überschuss von Materieatomen gegenüber Antimaterieatomen).

Alle Prozesse außer dem Sphaleron-Prozess erzeugen neue Quarks und neue Anti-Quarks in gleichen Mengen.

Wann ist das passiert, vor BB?

Nun, wir wissen, dass es größtenteils vor der Urknall-Nukleosynthese stattfand , weil sich Quarks bis dahin größtenteils in Protonen und Neutronen verwandelt hatten. Und in einer Zeit = 0 in der Urknall- Kosmologie bleibt nicht viel Zeit, um die Arbeit zu erledigen.

Bounce-Kosmologien gehen nicht davon aus, dass der aktuelle Urknall in einem reinen Energiezustand begann, also hatte er möglicherweise eine Baryonenzahl ungleich Null, was eher mit der Beobachtung übereinstimmt.

Können sie jederzeit in der Gegenwart produziert werden? Unter welchen Umständen?

Teilchenbeschleuniger erzeugen täglich Quark-Antiquark-Paare und vernichten sie in großer Zahl, die mathematisch sehr gut verstanden wird . Virtuelle Quark-Antiquark-Paare werden fast überall ständig erzeugt und zerstört.

Diese Wechselwirkungen erhalten jedoch die Baryonenzahl, sodass die Nettozahl der Quarks abzüglich Antiquarks im Universum genau konstant bleibt.

Können/werden sie in Energie umgewandelt?

Die Vernichtung von Quarks, die bis auf ihren Quark-Antiquark-Charakter in jeder Hinsicht identisch sind, kann zu hochenergetischen Photonen oder Gluonen führen, die sie in Energie umwandeln. In der Praxis geschieht dies jedoch selten so sauber, da Quarks in Quark-Gluon-Kompositpartikeln, den sogenannten Hadronen , „ eingeschränkt “ sind , anstatt frei herumzutreiben.