Wie genau verhindert das Quark-Gluon-Plasma, dass sich Protonen bilden?

Ein Proton in einem Quark-Gluon-Plasma wäre wie ein Wassertropfen unter Wasser. Die Idee eines Tröpfchens umfasst eine Grenze und einen umgebenden Nicht-Wasser-Bereich. Je höher die Energiedichte der Quark-Materie ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass sich alle Quarks bis auf drei von drei der Quarks um einen ausreichenden Abstand und für eine ausreichende Zeit trennen, sodass man vernünftigerweise sagen könnte, dass ein Proton existiert. Es ist nicht absolut unmöglich, nur sehr unwahrscheinlich.

Bei einer niedrigeren Energiedichte wird es energetisch günstig, dass sich Vakuumtaschen bilden und das Quark-Gluon-Plasma in Hadronen zerfällt. Bevor das passiert, sind die Quarks „frei“ in einem gigantischen, universumumspannenden Hadron, nicht frei im Vakuum. Es ist unmöglich, dass Quarks im Vakuum frei sind.

Es ist wahr, dass sich Gluonen immer schneller bewegen als Quarks, und es ist wahr, dass die starke Kraft Quarks aktiv zusammenzieht, aber dazu müssen sich keine Protonen bilden. Was folgt, ist eine ausführliche Erklärung darüber, wie wichtig die Gesamtenergie ist, um „gebunden“ zu sein.

Ein Proton ist ein gebundener Zustand. Ein gebundener Zustand ist mit einer ausreichend hohen kinetischen Energie nicht möglich, da ein gebundener Zustand erfordert, dass die Gesamtenergie (kinetische und potentielle) <0 ist. Wenn die Energie 0 wäre, hätte ein System aus zwei Teilchen die gleiche Energiemenge wie in dem Fall, in dem die beiden Teilchen in unendlichem Abstand voneinander (0 potentielle Energie) und in Ruhe (0 kinetische Energie) sind.

Machen wir eine Analogie zur Schwerkraft. Ein Planet, der schnell genug an einem Stern vorbeifliegt, wird den Stern nicht umkreisen. Dies trotz der Schwerkraft, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Machen wir eine Analogie mit Atomen. Ein Elektron, das schnell genug an einem Proton vorbeigeht, macht kein Atom. Dies trotz der Kraft der elektromagnetischen Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit.

Die Tatsache, dass sich Gluonen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, erzwingt keine Bindung von Quarks. Was bestimmt also, ob etwas gebunden ist?

Im Falle eines Planeten, der einen Stern umkreist, hat der Planet aufgrund seiner potentiellen Energie insgesamt negative Energie$-\frac{GMm}{r}$. Bei einer Kreisbahn folgt die Geschwindigkeit$\frac{v^{2}}{r} = \frac{GM}{r^{2}}$so ist die kinetische Energie$\frac{1}{2}mv^{2} = \frac{1}{2}\frac{GMm}{r}$. Sie können also sehen, dass die Gesamtenergie (Potential + Kinetik) negativ ist. Dies definiert ein gebundenes System, da Sie Energie aufbringen müssten, damit der Planet seine Entfernung vom Stern vergrößert.

Eine ähnliche Analyse gilt für ein Atom. Elektronen haben negative Energie <=> sie sind an Kerne gebunden. Um das Elektron aus dem Kern zu befreien und das Atom zu ionisieren, muss Energie zugeführt werden.

Deshalb hat die Erde auch eine Fluchtgeschwindigkeit. Um sich von der Erde zu lösen, muss ein Raumfahrer genug kinetische Energie pro Masse haben.

Bearbeiten: Abgesehen von dieser Verwirrung in Ihrem Szenario Nr. 1 gibt es auch die Physik der asymptotischen Freiheit, über die Sie hier lesen können . Kurz gesagt, bei geringerer Entfernung wird die starke Kraft schwächer.

Wie genau verhindert das Quark-Gluon-Plasma, dass sich Protonen bilden?

Betrachten Sie die Temperatur des Quark-Gluon-Plasmastadiums

Schematisches Phasendiagramm von QC D. Die vertikale Achse gibt die Temperatur TT an, die horizontale Achse die Baryonendichte. Bei ausreichend niedriger Temperatur erscheinen Quarks und Gluonen nur als hadrongebundene Zustände (Confinement). Aber oberhalb einer kritischen Temperatur brechen diese hadrongebundenen Zustände auseinander (Dekonfinierung) und Quarks und Gluonen können frei existieren. Diese Phase der QCD ist das Quark-Gluon-Plasma.

In einem kosmologischen Modell ist die Quark-Gluon-Plasmatemperatur um vier Größenordnungen höher,$10^{15}K$, als die MeV-Werte $~1x10^{10}$von nuklear gebundenen Staaten.

Was bedeutet die Temperatur in einem kosmologischen Modell? Thermodynamisch ist es die Schwarzkörperverteilungstemperatur. Es gibt Schwänze in der Schwarzkörperverteilung, daher besteht in der Suppe aus Quarks, Gluonen, Elektronen, Positronen, Photonen usw. eine winzige Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Proton bildet, und eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass es bei einer Kollision mit einem der Teilchen in der Suppe wieder zerfällt .