Warum gibt es 3 Quarks in einem Proton? [geschlossen]

Ein paar Fragen zu Quarks (ich weiß nicht viel darüber, außer dass es zwei Geschmacksrichtungen in Bezug auf Protonen und Neutronen gibt).

  1. Warum gibt es 3 Quarks in einem Proton oder Neutron? Warum nicht 2 oder 4?

  2. Gibt es eine Obergrenze für die Größe eines Atoms, bevor die Schwerkraft beginnt, Protonen und Neutronen zu kombinieren?

  3. Ich habe hier gehört, dass Quarks nicht die gesamte Masse eines Neutrons/Protons ausmachen, wenn ja, was?

Ich denke, jede dieser 3 könnte (vielleicht sollte) eine separate Frage sein. Obwohl Sie eine Antwort haben, die alle drei anspricht, weiß ich nicht, ob dies es rechtfertigen sollte, es so zu lassen, wie es ist ...

Antworten (1)

Warum drei Quarks?

Ganz einfach ausgedrückt müssen gebundene Quarks ( Hadronen ) farbneutral sein, also entweder Farbquark + Antifarb-Antiquark ( Mesonen ) oder drei Quarks mit R-, G- bzw. B-Farbladung ( Baryonen ). ( Hinweis: Es sollte auch exotische Teilchen wie Tetraquarks und Pentaquarks geben, aber diese wurden noch nicht beobachtet, und es wurde ein Quark-Gluon-Plasma beobachtet. Aber keine dieser exotischen Materie kann die Rolle eines Protons spielen.)

Nun stellt sich heraus, dass das stabilste aller hadronischen Teilchen das Proton ist (das zufällig Baryon ist). Alles andere zerfällt früher oder später (normalerweise sehr bald) in andere Teilchen und kann unmöglich die stabile Materie um uns herum bilden. Neutron macht hiervon eine Ausnahme, denn wenn es im Kern gebunden ist, wird es stabil (na ja, nicht ganz, radioaktiver Beta-Zerfall kann immer noch auftreten).

Beachten Sie auch, dass selbst wenn einige Mesonteilchen stabil waren, Mesonen immer noch Bosonen sind. Sie würden also Paulis Ausschlussprinzip nicht gehorchen und es wäre wahrscheinlich unmöglich, aus ihnen so etwas wie Atomkerne zu bauen. Sehr wahrscheinlich braucht man dafür Fermionen und das heißt Baryonen und drei Quarks.

Größe eines Atoms

Das hat nichts mit der Schwerkraft zu tun. Große Atome sind rein aus nuklearen Gründen instabil (dh ihre Kerne zerfallen extrem schnell durch Radioaktivität). Überlegungen zur Gravitation sind nur für riesige Objekte wichtig (normalerweise Sterne und ihre Nachlebensprodukte wie weiße Zwerge und Neutronensterne).

Masse eines Protons

Seit Einstein wissen wir das E = M C 2 , dh Energie ist Masse. Jedes Mal, wenn es eine Wechselwirkung gibt, müssen Sie die Bindungsenergie berücksichtigen, wenn Sie die Masse eines zusammengesetzten Objekts berechnen. Die Masse eines Protons kommt fast ausschließlich von starken Wechselwirkungen, die die drei Quarks aneinander binden.

Bezüglich der Masse: Es ist sehr schwierig, die intrinsische Masse von Quarks zu messen, da sie nie frei gefunden werden (eine Tatsache, die als "Confinement" bekannt ist), aber die Up- und Down-Quarks, aus denen das Proton besteht, gelten als sehr leicht (weniger als 10 MeV), so dass der größte Teil der Masse des Protons Bindungsenergie ist.
@dmckee: Sicher, es ist schwierig zu messen, aber es hat im Standardmodell immer noch einen bestimmten Wert und kann daher aus indirekten Messungen extrapoliert werden. Und was meinen Sie damit, dass Up-Quarks als leicht gelten? Es ist bekannt , dass sie eine Masse im Bereich von 1,7 bis 3,3 MeV haben. Sprechen Sie nur von statistischer Signifikanz?
Das war eher als weitere Darlegung (noch eher auf Pop-Science-Niveau) denn als Kritik gemeint. Ich habe meinen Wert für die leichten Quark-Massen ungenau gelassen, weil das PDF das Down bei etwa dem Doppelten der Werte (die Sie auflisten) für das Up hat.
@dmckee: ah, dann gut. Wie auch immer, ich verstehe sehr gut, dass das Konzept der Masse in der QFT und darüber hinaus für Quarks alles andere als trivial ist. Ihr Kommentar hat also durchaus seine Berechtigung. Übrigens richtig: Down-Quarks sind massiver. Ich habe nur die Masse des Quarks aufgenommen, weil ich den Teil Ihres Kommentars, der besagte, dass "... das Proton bilden ..." als Bezug auf das Quark bezeichnet, falsch gelesen habe :-)
In Bezug auf Ihre Kommentare zur Größe von Atomen, was ist mit Neutronensternen?
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