Wie (oder wann) ändern Gluonen die Farbe eines Quarks?

Die Idee, dass Baryonen drei Quarks enthalten, ist eine erhebliche Vereinfachung falsch. Es funktioniert für einige Zwecke, aber in diesem Fall verursacht es viel mehr Verwirrung, als es wert ist. Sie sollten also aufhören, Baryonen als Gruppen von drei Quarks zu betrachten, und anfangen, sie als Anregungen in Quantenfeldern zu betrachten - und insbesondere als Anregungen in allen Quantenfeldern gleichzeitig. Quarkfelder, Gluonfelder, Photonenfelder und alles. Diese Erregungen breiten sich durch die Raumzeit aus und wandeln sich dabei ineinander um, und in einem Baryon erhalten sich die Ausbreitung und die gegenseitige Umwandlung gegenseitig, so dass das Baryon für eine Weile als kohärentes Teilchen existieren kann.

Eine der Bedingungen, die für all diese Anregungen in Feldern erforderlich ist, ist, dass sie ein Farbsingulett sind, was die Version der starken Wechselwirkung ist, ungeladen zu sein. Dafür gibt es eine einfache intuitive Begründung: So wie ein elektrisch geladenes Teilchen dazu neigt, entgegengesetzt geladene Teilchen anzuziehen, um neutrale Verbundstoffe zu bilden (wie Protonen und Elektronen, die sich gegenseitig anziehen, um Atome zu bilden), etwas, das die Ladung hat, die mit der starken Wechselwirkung verbunden ist (Farbe Ladung) zieht andere farbgeladene Teilchen an, um neutrale Verbundstoffe (Farbsinguletts) zu bilden.

Nun, wenn Sie buchstäblich nur drei Quarks hätten, besteht die einzige Möglichkeit, sie zu einem farbigen Singulett zu machen, darin, eines rot, eines grün und eines blau zu haben. ¹ (Oder die Antifarben-Äquivalente.) Aber bei all den komplizierten Anregungen, die ein Baryon ausmachen, gibt es alle möglichen Möglichkeiten, ein Farbsingulett zu erzeugen. Sie könnten drei rote Quarks, ein grün-antirotes Gluon und ein blau-antirotes Gluon haben. Oder zwei rote Quarks, zwei grüne Quarks, ein Antiblau-Antiquark, ein Blau-Antirot-Gluon und ein Blau-Antigrün-Gluon. Oder so weiter; die Möglichkeiten sind buchstäblich unendlich.

Der Punkt ist, dass Sie nicht immer ein Quark jeder Farbe im Baryon haben müssen. Nur die Gesamtfarbladung im Baryon zählt.

Angesichts dessen sollte es vernünftig erscheinen, dass Gluonen die Farbe von Quarks ändern, wann immer sie emittiert oder absorbiert werden, so dass die gesamte Farbladung gleich bleibt. Beispielsweise könnte ein blaues Quark ein grün-antiblaues Gluon absorbieren und zu einem grünen Quark werden.

¹ Ich beschönige hier einige quantenmechanische Details; Insbesondere muss eine Farb-Singlet-Wellenfunktion eine antisymmetrisierte lineare Kombination sein, z$\frac{1}{\sqrt{6}}(rgb - rbg + gbr - grb + brg - bgr)$, nicht nur$rgb$. Aber solange Sie sich keine Gedanken darüber machen, welcher Quark welche Farbe hat, können Sie dies für die Zwecke dieser Antwort ignorieren.

Das Modell, an das Sie denken, ist wirklich rudimentär und kann die Dynamik von Quantum ChromoDynamics, QCD, nicht erklären.

In diesem Link gibt es eine bessere Darstellung dessen, was ein Proton innerhalb von QCD ist.

Sie haben vielleicht schon gehört, dass ein Proton aus drei Quarks besteht. Tatsächlich gibt es hier mehrere Seiten , die dies besagen . Das ist eine Lüge – eine Notlüge, aber eine große. Tatsächlich gibt es in einem Proton Millionen von Gluonen, Antiquarks und Quarks. Die übliche Abkürzung „das Proton besteht aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark“ ist eigentlich eine Aussage, dass das Proton zwei Up-Quarks mehr als Up-Antiquarks und ein Down-Quark mehr als Down-Antiquarks hat. Um die Glib-Kurzschrift korrekt zu machen, müssen Sie den Satz „plus zig Millionen Gluonen und zig Millionen Quark-Antiquark-Paare“ hinzufügen. Ohne diesen Satz ist die Sicht auf das Proton so einfach, dass man den LHC überhaupt nicht verstehen kann.

In der Gesamtbilanz ist das Proton farbneutral und es sind die vielen Gluon-Austausche, die das Potential erzeugen, das die drei Valenzquarks als Proton gebunden hält. Da es sich um ein quantendynamisches Framework handelt, ist die Mathematik nicht einfach und muss durch Gitter-QCD angenähert werden .

Aber wenn sich das Gluon von einem Quark zum nächsten bewegt, hätte das Baryon nicht zwei gleichfarbige Quarks, was es instabil macht

Die Stabilität wird durch den unzähligen Austausch zwischen all diesen Bestandteilen gewährleistet. Farbübertragung von einem Quark/Antiquark wird durch die zurückbleibende Farbe kompensiert, die Gesamtfarbe bleibt farbneutral.

wie funktioniert dieser prozess eigentlich

Es handelt sich im Wesentlichen um einen quantenmechanischen Prozess, den man sich als Summierung einer unendlichen Anzahl von Feynman-Diagrammen dieser Art vorstellen könnte, die Gluonen austauschen

Die Gesamtfarben ändern sich nicht und werden für die gesamte Tasche farbneutral.

Fairerweise sollte man erklären, dass es Verteilungen innerhalb des Protons gibt, die die Existenz von Valenzquarks und Seaquarks und Gluonen in den Partonverteilungen zeigen, aber das ist eine andere Geschichte.

Abbildung 2: Übersicht der CTEQ6M-Parton-Verteilung bei Q = 100 GeV

Die Erweiterung auf große x ist der "Beweis" für Valenz-Up- und -Down-Quarks.

Eine kurze Antwort, die nützlich ist, wenn man an einzelne Quarks denkt, funktioniert:

Das Gluon hat auch Farbe. Es gibt 8 verschiedene Formen, passend zu den 3 farbigen Quarks.

Wenn Sie also mit einem roten und blauen Quarkpaar beginnen, ändert sich das Rot zu Blau und Sie haben zwei blaue Quarks und ein Gluon, das rot und antiblau ist. Dann absorbiert es das zweite Quark, hebt das Blau/Anti-Blau auf und es bleibt Rot selbst übrig.

Jetzt erfolgt der Austausch zwischen Quarks mit virtuellen Gluonen, also machen Sie sich keine Sorgen darüber, dass Sie im Voraus wissen, wohin es geht. Es ist das gleiche Problem, das Sie haben, wenn Sie erklären, wie Photonen den Impuls zwischen geladenen Objekten übertragen.