Wenn freie Quarks nicht existieren können, wie ist dann das Universum entstanden?

Soweit ich weiß, begann der Urknall mit einem Photonengas, das dann die anderen Teilchen erzeugte. Daher würde es im frühen Universum offensichtlich einige freie Quarks geben, es sei denn, Quarks werden aus irgendeinem Grund immer paarweise erzeugt. Wie löst die Physik das?

Es war nicht gerade ein Photonengas. Wir brauchen eine funktionierende Quantengravitationstheorie, um über die früheste Phase des Urknalls sprechen zu können. Nach der Planck-Epoche gab es (wahrscheinlich) eine große Vereinigungsepoche , in der der Elektromagnetismus mit den schwachen und starken Kernkräften vereint wurde. IOW, die Energiedichte war so hoch, dass Photonen, die Z- und W-Bosonen und Gluonen nicht existierten. Stattdessen gab es X- und Y-Bosonen, die Quarks an Leptonen koppeln.
Siehe auch Zeitleiste der Entstehung des Universums . Denken Sie daran, dass diese Wikipedia-Artikel nur vereinfachte Zusammenfassungen aktueller Theorien sind und kleinere Ungenauigkeiten enthalten können.

Antworten (3)

In den Anfangsstadien des Universums waren Quarks und Gluonen asymptotisch frei. Dieser Aggregatzustand wird als Quark-Gluon-Plasma bezeichnet. Dann, als die Temperatur des Universums weiter abnahm, fand die sogenannte Hadronisierung (Quarks verbinden sich zu Hadronen) statt.

Die Kopplungskonstante der QCD (die, um es einfach zu machen, gewissermaßen die Intensität der starken Wechselwirkung zwischen Quarks darstellt) ist a laufende Kupplung : Es bedeutet, dass es nicht wirklich eine Konstante ist, aber es variiert mit der Energieskala. Wie Sie auf dem Bild unten sehen können, ist die a Q C D nimmt bei hohem übertragenem Impuls ab. Dies bedeutet, dass Quark dazu neigt, sich FAST wie freie Teilchen zu verhalten, wenn die Energien sehr hoch sind. Sie können sie auch als Gas aus Fermionen (Quarks) und Bosonen (Gluonen) betrachten.

Unter diesen Bedingungen ( a ≪ 1 ) ist ein perturbativer Ansatz möglich: Wir verwenden pQCD (perturbative QCD).

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Quark-Gluon-Plasma kann heutzutage durch hochenergetische Kollisionen schwerer Kerne gewonnen werden. Dies wird am CERN beispielsweise durch das ALICE-Experiment mittels Pb-Pb-Kollisionen erreicht 5.02 TeV.

Obwohl alles in dieser Antwort richtig ist , gibt sie nicht den richtigen Grund dafür an, warum Quarks bei so hohen Energien frei sein können, bei niedrigen Energien jedoch nicht. Eine große Kopplungskonstante verbietet nicht von Natur aus die Existenz freier ungebundener Quarks. Der eigentliche Grund ist, dass die QCD einen Phasenübergang zwischen einer einschließenden und einer dekonfinierenden Phase zeigt und ein Einschließen keine einfache Folge einer großen Kopplung ist . Das lineare Kraftgesetz in der Einspannphase lässt sich nicht einfach aus dem Aufdrehen der Kupplung ableiten.
Was Sie sagen, ist richtig. Tatsächlich hielt ich meine Antwort innerhalb der Grenzen von pQCD und asymptotischer Freiheit. Ich ging nicht in den Bereich der Haft. Erstens, weil, korrigiere mich, wenn ich falsch liege, es noch keine passende theoretische Erklärung gibt. Zweitens, weil ich einige offene Fragen zur nicht-perturbativen QCD habe.
Gibt es einen grundlegenden Grund, warum freie Quarks nicht bei niedriger Energie existieren können, außer "das ist der einzige Weg, Physik zum Laufen zu bringen"?
Eine passende theoretische Erklärung gibt es meines Wissens noch nicht. Weißt du, oft siehst du einfach Dinge in Experimenten passieren und dann baust du deine Theorie auf. Die Beschränkung ist eine experimentelle Tatsache, die nicht vollständig durch die Theorie erklärt wird. Ich denke, dass die Antwort von ACuriousMind ein guter Anfang ist, wenn Sie mehr über Theorien zur Entbindung erfahren möchten.

"Freie Quarks können nicht existieren" ist einfach eine zu starke Vereinfachung der tatsächlichen Situation in der Quantenchromodynamik (QCD). Eine bessere Aussage ist "freie Quarks können bei niedrigen Energien nicht existieren" , wobei "niedrige Energie" unterhalb der Dekonfinierungsskala bedeutet .

Confinement ist genau das Phänomen, das besagt, dass die Kraft zwischen zwei Quarks linear mit der Entfernung ansteigt, was bedeutet, dass Sie zwei Quarks niemals trennen können, da dies unendliche Energie erfordern würde. Nun haben wir leider kein vollständiges theoretisches Verständnis des Confinement in der Kontinuum-QCD, aber was wir wissen – sowohl aus heuristischen Argumenten als auch aus Gitterberechnungen – ist, dass QCD einen Phasenübergang zwischen einer Confining - Phase und einer Deconfining -Phase als Energie aufweist Maßstab steigt.

Dies liegt nicht an der laufenden Kopplung als solcher, sondern daran, dass der Erwartungswert des Ordnungsparameters dieses Phasenübergangs, der Polyakov-Schleife, einer Variante der Wilson -Schleife, ungleich Null wird. Solange die Polyakov-Schleife Null ist, ist die freie Energie eines Zwei-Quark-Systems unendlich, was bedeutet, dass sie nicht getrennt werden können. Gitterberechnungen zeigen tatsächlich, dass der Phasenübergang zu einer Polyakov-Schleife ungleich Null erfolgt, wenn die Energieskala zunimmt, sodass im frühen heißen Universum freie Quarks ohne Widerspruch zu unserer gegenwärtigen Situation existieren könnten.

Die Symmetrie, die durch die Polyakov-Schleife gebrochen wird, ist die sogenannte "Zentrumssymmetrie" der Eichtheorie auf dem Gitter, siehe diese Frage .

Dass wir nicht von umherstreifenden freien Quarks zu Schweizer Käse gerissen werden, ist also reines Glück?
@DapperLad Wo habe ich den Eindruck erweckt, dass es "nur Glück" ist, und wie unterscheidet sich ein Naturumstand, der "nur Glück" ist, von einem, der es nicht ist?
Weil Sie nicht gesagt haben, wie freie Quarks nicht frei wurden.

Dieser Artikel in Wikipedia verdeutlicht, wie sich das Universum entwickelt hat, soweit unser gegenwärtiges Verständnis der Teilchenphysik und der allgemeinen Relativitätstheorie reicht.

Insbesondere für die starken Wechselwirkungen ist die vorliegende Theorie QCD, die Quarks und ihre Wechselwirkungen mit anderen Teilchen modelliert.

QCD hat zwei besondere Eigenschaften:

Confinement, was bedeutet, dass die Kraft zwischen Quarks nicht abnimmt, wenn sie getrennt werden. Wenn Sie also ein Quark von anderen Quarks trennen, reicht die Energie im Gluon-Feld aus, um ein weiteres Quark-Paar zu erzeugen; sie sind also für immer an Hadronen wie das Proton und das Neutron oder das Pion und das Kaon gebunden. Obwohl analytisch nicht bewiesen, wird allgemein angenommen, dass Confinement wahr ist, weil es das konsistente Versagen der Suche nach freien Quarks erklärt und in der Gitter-QCD leicht zu demonstrieren ist.

Asymptotische Freiheit, was bedeutet, dass bei sehr hochenergetischen Reaktionen Quarks und Gluonen sehr schwach interagieren und ein Quark-Gluon-Plasma erzeugen.

Das gegenwärtige Modell des Universums beginnt mit enormen Energien, und während es sich ausdehnt, kühlen die einzelnen Bestandteile zuerst in ein Stadium ab, in dem alle Kräfte mit allen masselosen Teilchen zu einem Quark-Gluon-Plasma vereint sind

Wenn die Abkühlung weitergeht, erscheinen gebundene Hadronen.

Bei den LHC-Experimenten wird das Quark-Gluon-Plasma experimentell untersucht.

So werden alle Modelle der Teilchenphysik für das Urknallmodell des Universums genutzt und die Erzeugung gebundener Quarks innerhalb eines erweiterten Standardmodells entwickelt.

Wenn Sie den Artikel lesen, werden Sie feststellen, dass sich ein Großteil des Modells experimentell noch im Forschungsstadium befindet.

Liebe Anna V, ich habe den Wikipedia-Artikel gelesen, aber er spricht nicht darüber, wie Quarks gebildet wurden. Zuerst, wenn ich das richtig verstehe, gab es ein Meer von Photonen. Aber wie sind Quarks entstanden? Quarks sind Punktteilchen, also wissen wir nicht, woraus sie bestehen, gibt es also eine Theorie darüber, wie sie entstanden sind, vielleicht aus Photonen?
@ÁrpádSzendrei Siehe auch diese en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang#Inflation_and_baryogenesis . Es wird angenommen, dass das Quark-Gluon-Plasma in diesen frühen Stadien existiert. Alle Teilchen in der Standardmodelltabelle sind in der Suppe, en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model und ihre Antiteilchen, es ist eine Arbeitshypothese. Sie entstehen, weil ihnen die Energie dafür zur Verfügung steht. In der Hypothese würden sie aus der zur Verfügung stehenden Energie durch Paarbildung Quark Antiquark bilden. Über die damals im Modell verfügbaren Felder wird viel spekuliert.
Man nimmt die Teilchentabelle als axiomatisch, im Standardmodell, dh durch Messungen gegeben, an.
Danke, also sagen Sie, sie seien durch Paarbildung entstanden, aus der verfügbaren Energie. Aber ist diese Energie das Meer von Photonen oder stammt diese Energie aus den Quantenfeldern?
Photonen kommen später als die Urenergie der Inflationszeit, sie nennen das hypothetische Teilcheninflaton, das die gesamte Energie vor dem Quark-Gluon-Elektron -Photon- ... Plasma trägt.
Wenn freie Quarks nicht existieren können, wie ist dann das Universum entstanden?
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