Warum gilt Confinement nur für Quarks und nicht für Nukleonen?

Wenn Sie ein Elektron und ein Proton nehmen, gibt es eine starke elektromagnetische Kraft zwischen ihnen, weil das Elektron eine Ladung von hat$-e$und das Proton hat eine Ladung von$+e$. Angenommen, Sie kombinieren das Elektron und das Proton zu einem Wasserstoffatom. Das Wasserstoffatom hat eine Nettoladung von Null, sodass zwischen zwei Wasserstoffatomen keine starke elektromagnetische Kraft besteht.

Die Aufhebung der Elektronen- und Protonenladung ist jedoch nicht vollständig, da sie nicht genau denselben Punkt im Raum einnehmen. Im Durchschnitt ist der Abstand zwischen Elektron und Proton der Bohr-Radius $a_0$, wenn Sie also zwei Wasserstoffatome haben, kann der Elektron-Elektron-Abstand vom Proton-Proton-Abstand um etwa abweichen$a_0$. Das Ergebnis ist, dass es zwischen den beiden Wasserstoffatomen eine relativ schwache Kraft gibt, die als Londoner Dispersionskraft bezeichnet wird .

Der springende Punkt bei all dem ist, dass im Kern etwas Ähnliches passiert. Es ist komplizierter, weil Quarks drei Arten von Ladungen haben, aber während die starke Kraft zwischen zwei Quarks wirkt, haben Hadronen im Grunde eine Netto-Farbladung von Null, sodass zwischen zwei Hadronen keine starke Kraft wirkt.

Allerdings haben die Quarks, genau wie ein Wasserstoffatom, einen durchschnittlichen Abstand ungleich Null und infolgedessen wirkt eine schwächere Kraft zwischen zwei Hadronen. Das nennen wir die starke Kernkraft . Es ist eine etwas verwirrende Terminologie aufgrund eines historischen Unfalls, aber die starke Kraft ist die Kraft, die zwischen zwei Objekten mit einer Farbladung ungleich Null wirkt, während die starke Kernkraft zwischen zwei Hadronen mit einer (Netto-) Farbladung von Null wirkt. Die starke Kernkraft ist das Hadronenäquivalent der Londoner Dispersionskraft.

Und schließlich wird die starke Kernkraft mit der Entfernung schwächer, und tatsächlich wird sie mit der Entfernung sehr schnell schwächer. Dabei fällt die EM-Kraft ab$r^{-2}$die starke Kernkraft fällt als$e^{-ar}$(für einige konstant$a$). Deshalb kann das Neutron aus einem Helium-5-Kern entkommen.

Dies hängt mit der sogenannten "Farbladung" zusammen, die von Teilchen getragen wird, die an einer starken Wechselwirkung beteiligt sind. Obwohl zunächst vorgeschlagen wurde, gleiche Quarks innerhalb der Baryonen existieren zu lassen (trotz des Pauli-Ausschlussprinzips), wird es auch verwendet, um die Fähigkeit von Hadronen zu beschreiben, frei von Einschluss zu sein – nur farblose Teilchen (oder weiße) können frei sein.

Dies ist keine vollständige Erklärung des Phänomens – es ist eher ein Modell, das die gesamte Vielfalt bekannter Hadronen basierend auf ihrer Symmetrie gut beschreibt. Soweit ich weiß, bleibt das Problem der Umsetzung der Ausgangssperre selbst schwierig.

Es gibt 3 Farben (rot, grün, blau) und die dazugehörigen Antifarben. Beispielsweise enthalten Mesonen Paare von Farb-Antifarb-Quarks, während Baryonen 3 verschiedene Farben enthalten, die zusammen ebenfalls farblos sind.

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Zum zweiten Teil der Frage. Grundsätzlich ja, Nukleonen und Mesonen sind stabile Einheiten in Bezug auf QCD. Kerne werden gut als Ansammlungen von Nukleonen mit kleinen Diskrepanzen beschrieben. Gleichzeitig gelten Mesonen lange Zeit als Träger der starken Wechselwirkung – ähnlich wie Photonen in der QED.

Diese "Stabilität" ist jedoch nur unterhalb der QCD-Crossover-Energieskala möglich, wenn Hadronen dekonfinieren und ein Quark-Qluon-Plasma bilden. In gewissem Sinne kann man eine Analogie zu Atomen in Betracht ziehen, die selbst elektrisch neutral sind (aber aus geladenen Teilchen bestehen) und bei hohen Temperaturen dissoziiert werden.