Warum sind nicht alle Quarks in einem riesigen Hadron zusammengeballt?

Wie @josephh in einer anderen Antwort sagt, bilden die stabilen Kombinationen von Quarks farblose Paare oder Tripletts, was bedeutet, dass sich die Farben gegenseitig abschirmen, ähnlich wie das Elektron und das Proton in einem Wasserstoffatom entgegengesetzte Ladungen haben und so das Atom als Ganzes ist neutral und zieht andere Atome in großen Abständen nicht stark an.

Ein weiterer Faktor ist, dass Gluonen selbst eine Farbladung tragen und sich daher gegenseitig anziehen. Dies führt dazu, dass sich die Feldlinien zwischen den Quarks zu Röhren "bündeln", anstatt wie beim Elektromagnetismus nach außen zu strahlen. Dies verursacht das Phänomen des Einschlusses, das verhindert, dass Quarks alleine gefunden werden, und ist ein weiterer Grund, warum die Farbkraft nicht über große Entfernungen beobachtet wird.

In der Quantenchromodynamik , der Theorie, die Quarks beschreibt, gibt es eine Quantenzahl namens Farbladung oder einfach "Farbe", und alle stabilen Hadronen müssen eine neutrale oder "weiße" Farbe haben.

Alle Hadronen müssen aufgrund von Farbbeschränkung oder Quarkbeschränkung diese Gesamtfarbladung von Null haben , so dass die Farbkraft oder starke Kraft nur auf kurze Entfernungen wirkt, aber mit der Entfernung dramatisch zunimmt. Neutrale Farbteilchen, die natürlich vorkommen, sind Hadronen mit einem Quark einer Farbe und einem Antiquark der entsprechenden "Antifarbe", dh Mesonen , oder drei Quarks unterschiedlicher Farbe, dh Baryonen , so dass ihre Nettofarbe weiß ist. Beispielsweise gibt es in einem Proton ein rotes, ein grünes und ein blaues Quark. Insgesamt ist die Protonenfarbe neutral oder weiß.

Im Jahr 2013 entdeckten Wissenschaftler am CERN mithilfe hochenergetischer Kollisionen die Existenz eines schnell zerfallenden Tetraquarks, eines Zustands, der vier Quarks enthält. Es gibt Spekulationen darüber, wie die vier Quarks in diesem Vier-Quark-Zustand gebunden sind. Viele Physiker sind sich einig, dass dies zwei Mesonen sind$\mid q_1\bar q_1 + q_2\bar q_2\rangle$lose aneinander gebunden. Die Gesamtfarbe ist noch neutral. Aber noch einmal, dies sind keine stabilen Strukturen. Und auch Pentaquarks , die ebenfalls durch hochenergetische Kollisionen entstanden sind, müssen drei Quarks haben (z. B. rot+blau+grün = weiß), und die beiden anderen Quarks mit Farbe + Antifarbe (z. B. blau + antiblau = weiß).

Wir sehen also, dass Quarkkräfte nur in farblosen Zuständen anziehend sind. Wir sehen auch, dass Quarkzustände mit mehr als drei Quarks bei hohen Energien existieren, aber trotzdem sehr schnell zerfallen. Es scheint keinen Grund zu geben, warum wir Teilchen mit mehreren Quarks nicht synthetisieren könnten (vorausgesetzt, der Gesamtzustand ist farblos), obwohl dies hochenergetische Kollisionen erfordern würde. Angesichts der Tatsache, dass die Farbkraft eine sehr kurze Reichweite hat, die mit zunehmender Entfernung an Stärke zunimmt, und da die durchschnittliche Energiedichte des Universums bei weitem nicht der Energie entspricht, die für mehr als drei Quark-gebundene Zustände erforderlich ist, sehen wir solche Zustände natürlich nicht.

Die starke Wechselwirkung ist nicht „nur anziehend“. A$qgq$-vertex ist ein Farbfaktor zugeordnet, der von der Quarkfarbe und der Gluonfarbe/Antifarbe abhängt. Der Gesamtfarbfaktor für ein 2-Vertex-Diagramm ist:

Ein positiver (negativer) Farbfaktor wirkt anziehend (abstoßend).

Wechselwirkungen sind wie folgt:

Also hier ist$rr\rightarrow rr$, mit zwei möglichen Gluon-Zuständen. Die roten Quarks interagieren nur mit dem roten Teil des Gluons.

Diese Wechselwirkung ist abstoßend:

Farbwechsel ist attraktiv:

Jetzt müssen Sie rote, grüne und blaue Quarks kombinieren, sowie Anti-Rot-, Anti-Grün- und Anti-Blau-Quarks. Dieser Prozess wird durch die Repräsentationstheorie von geregelt$SU(3)$, Wo$(r, g, b)$sind die grundlegende Darstellung,${\bf 3}$, während$(\bar r, \bar g, \bar b)$form${\bf \bar 3}$.

Sie kombinieren nach:

Grafisch:

Inzwischen ist a$qq$Baryon/Meson-Hybrid funktioniert nicht:

Es gibt keine Singlet-Kombination.

Der Baryon-Sektor ist wie folgt:

wobei der rote Punkt ganz rechts die Baryonen-Farbwellenfunktion darstellt:

An diesem Punkt können Sie den Farbfaktor für Singulett- und Nicht-Singulett-Zustände berechnen. Es ist attraktiv für Singuletts und abstoßend für andere Zustände. Dennoch ist es ein Postulat, dass in der Natur nur Farb-Singlet-Zustände beobachtet werden.

Sucht nach komplizierteren Singuletts wie dem Pentaquark ($qqqq\bar q$) laufen.

(Abbildungen stammen von https://www.hep.phy.cam.ac.uk/~thomson/lectures/partIIIparticles/Handout8_2009.pdf ).

Ich fange mal anders an:

Im gegenwärtigen kosmologischen Modell existiert eine Periode, die "das Quark-Gluon-Plasma" genannt wird . Damals war das ganze Universum eine Suppe aus Quarks und Gluonen, die ständig mit der starken Kraft bei sehr hohen Teilchenenergien wechselwirkten, weil die gesamte Massenenergie des gegenwärtigen Universums auf ein viel kleineres Raum-Zeit-Volumen konzentriert war. Experimente am LHC versuchen, ein Quark-Gluon-Plasma energetisch zu rekonstruieren, und es gibt Anzeichen dafür, dass es gelingt.

Beginnen wir mit dem einfachen Modell elektromagnetischer Wechselwirkungen, die Kerne an Atome binden. Warum existieren Atome und die Elektronen fallen nicht auf die Kerne, um sie zu neutralisieren? Aufgrund der Quantenmechanik wurde festgestellt und mit einem quantenmechanischen Modell versehen, dass das Elektron des Wasserstoffatoms in bestimmten Energiezuständen existiert, die das Spektrum hervorrufen. Einer der Gründe für die damalige Erfindung der Quantisierung waren die diskreten Spektren von Atomen. Damit sich Wasserstoff bilden kann, müssen die Energien des Elektrons und des Protons klein sein, damit das Elektron in einen Energiezustand fällt. Elektronen mit hohem Impuls, die auf Protonen treffen, haben eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, Wasserstoff zu erzeugen.

Die Protonen und Neutronen sind selbst gebundene Zustände von Quarks und Gluonen. Die Energien, die erforderlich sind, um gebunden zu werden, liegen in der Größenordnung von MeV. Lattice QCD arbeitet an diesen Problemen.

Auf die gleiche Weise sind Kerne stabil, anstatt aufgrund der als starke Kernkraft bezeichneten Spill-over-QCD-Kraft zu kollabieren, da in der komplexen potenziellen Umgebung von Protonen und Neutronen gebundene Zustände existieren, wobei die Abstoßungskräfte der positiven Ladung durch den anziehenden Kern ausgeglichen werden Kraft zuzüglich des Pauli-Ausschlusses wegen Spin-Zuständen. Die experimentelle Tatsache ist, dass es stabile gebundene Zustände gibt. und man endet mit dem Periodensystem der Elemente , sie alle sind quantenmechanisch gebundene Zustände.

Wenn Energien groß werden, TeV am LHC, können sich Quarks und Gluonen als "frei" verhalten, wie im Quark-Gluon-Plasma, weil es nicht mehr möglich ist, in Protonen und Neutronen gebunden zu bleiben, die Wahrscheinlichkeit ist sehr gering. Im Quark-Gluon-Plasma des Universums kühlt es sich ab, wenn sich das Universum ausdehnt, und die durchschnittlichen Teilchenenergien erreichen die Größenordnung von MeV, was die Bindung in Protonen und Neutronen 1 Mikrosekunde nach dem Urknall ermöglicht.

Mit dem oben Gesagten als Hintergrund die Antwort auf Ihre:

Was hindert jedes Quark im Universum daran, jedes andere Quark anzuziehen und eine ständig wachsende Masse farbiger Teilchen zu bilden?

ist, dass die heutigen Quarks in stabilen gebundenen Zuständen existieren, die nur durch sehr hochenergetische Wechselwirkungen gebrochen werden können.

Es gibt eine nette Antwort von @annav, und ich möchte etwas ansprechen, das die anderen Antworten nicht erwähnen.

Es geht um das Gleichgewicht zwischen den Kräften. Sie fragen nach einem riesigen Objekt aus Quarks? Würde ein Neutronenstern oder ein Quarkstern (theoretisch) ausreichen?

Unter den extremen Temperaturen und Drücken im Inneren von Neutronensternen werden die Neutronen normalerweise durch einen Entartungsdruck getrennt gehalten, wodurch der Stern stabilisiert und ein weiterer Gravitationskollaps verhindert wird. Es wird jedoch die Hypothese aufgestellt, dass unter noch extremeren Temperaturen und Drücken der Entartungsdruck der Neutronen überwunden wird und die Neutronen gezwungen werden, zu verschmelzen und sich in ihre konstituierenden Quarks aufzulösen, wodurch eine ultradichte Phase von Quark-Materie auf der Grundlage von dicht gepackten Quarks entsteht Quarks.

https://en.wikipedia.org/wiki/Quark_star

Sie fragen sich im Grunde, warum nicht alle Quarks im Universum zusammenklumpen und einen riesigen Hadron bilden, also warum sehen wir im Grunde genommen, dass die Tetra- und Pentaquarks beim aktuellen Energieniveau unseres Universums instabil sind?

Um zu verstehen, warum, gibt es ein paar Dinge zu beachten:

1. Die Farbkraft und Entfernungen

Lassen Sie mich Ihnen eine andere Frage stellen: "Warum verklumpen sich nicht alle Nukleonen (Protonen und Neutronen) zu einem riesigen Kern?". Die Antwort ist sehr subtil und hat mit der kurzen Reichweite der Farbkraft (und Isospins, aber ich spreche hier nicht darüber) zu tun. Grundsätzlich stoßen sich die Protonen (EM-Kraft) ab, aber die starke Restkraft versucht, sie zusammenzuhalten. Wenn der Kern an Größe zunimmt, kann die verbleibende starke Kraft (aufgrund ihrer kurzen Reichweite) die Protonen nicht zusammenhalten und die EM-Kraft überwindet sie und der Kern wird instabil, wenn er zu groß ist.

Zwar wirkt die starke Kraft im Wesentlichen nur zwischen den nächsten Nachbarn, während die Coulomb-Abstoßung zwischen allen Protonen wirkt, aber eigentlich verhindert die schwache Kraft die Bildung extrem großer Kerne.

Warum sind schwerere Kerne instabil?

Es ist sehr wichtig zu verstehen, dass die Kernkraft (starke Restkraft), die die Nukleonen zusammenhält, und die starke Kraft, die die Quarks zusammenhält, ein gemeinsames zugrunde liegendes Phänomen haben, nämlich die Farbkraft. Wenn auch nicht ganz analog, aber Sie können dieses Beispiel der kurzen Reichweite der Farbkraft für Ihren Fall verwenden, warum Quarks ab einer bestimmten Größe (oder Anzahl von Quarks) keine stabilen Objekte erzeugen können.

Was hält Quarks getrennt (starke Kraft zieht, aber was stößt sich ab, um sich auszugleichen)

Aber es gibt noch ein weiteres Phänomen der Farbkraft, nämlich dass sie auf sehr kurze Distanzen abstoßend wird. Warum ist das wichtig? Da die Quarks nicht zu nah beieinander sein können, muss das Objekt, das Sie aus Quarks bauen, einfach an räumlicher Größe wachsen.

2. Gleichgewicht zwischen den Kräften und der Regel des niedrigsten Energiezustands

Aber warum können Sie nicht einfach die Quarks hinzufügen und dieses Objekt wachsen lassen? Weil es andere Kräfte gibt, nämlich die EM-Kraft und die schwache Kraft. Die EM-Kraft ist in diesem Fall kompliziert, weil sich bestimmte Quarks anziehen, andere abstoßen, aber das Netz davon ist, dass sie beim Wachsen Ihres Objekts zuerst zu stabilen Neutronen und Protonen verklumpen (wo EM und starke Kräfte ausgeglichen sind) und Wenn Sie weitere Quarks hinzufügen möchten, ist es energetisch günstig, wenn sich diese Quarks einfach separat in andere Protonen und Neutronen verklumpen. Und die schwache Kraft kann Quarks in andere Quarks umwandeln, um sicherzustellen, dass das Objekt immer den niedrigstmöglichen Energiezustand einnimmt.

Aber warum können diese Neutronen und Protonen nicht zu einem einzigen Quark-Gluon-Plasma verklumpen? Sie können, und theoretisch ist es möglich, einen Neutronenstern in einen Quarkstern zu verwandeln, aber wie? Sie brauchen Energie und Druck. Sie müssen die Fähigkeit der starken Kraft überwinden, auf kurze Distanz abstoßend zu werden. Und Sie müssen ein Energieniveau erreichen, bei dem es für die Quarks energetisch nicht mehr günstig ist, sich in einzelne Neutronen zu verklumpen. Theoretisch gibt es zwei Beispiele, wo dies passiert, eines ist der theoretische Quarkstern. Oder das andere Beispiel der frühen Stadien unseres Universums, wo es ein Quark-Gluon-Plasma gab.

Die Antwort auf Ihre Frage lautet, dass die Quarks bei den aktuellen Energieniveaus unseres Universums gerne zu separaten Protonen und Neutronen (und nicht zu riesigen Objekten) zusammenklumpen, da dies der Zustand des niedrigsten Energieniveaus ist (mit der höchsten Anzahl von Quarks). , und dies erfüllt das Gleichgewicht zwischen den Kräften, und dies ist kompatibel mit der Art und Weise, wie sich die Farbkraft mit der Entfernung ändert, und alle zusammen bewirken diese Effekte, dass es für die Quarks energetisch günstig ist, sich in getrennte Protonen und Neutronen zu verklumpen.