Woher wissen wir, dass der Kern kein Quark-Gluon-Plasma ist?

Weil die Wechselwirkungsenergien innerhalb des Kerns sehr niedrig sind und wenn wir Experimente mit Nukleonen bei diesen Energien durchführen, verhalten sie sich hauptsächlich wie diskrete Teilchen.

Nehmen Sie für einen bestimmten Fall quasielastische Nukleonenausstoßreaktionen wie$A(e,e'p)$(das ist ein Elektron, das an einem Kern gestreut wird und ein Proton sauber herausschlägt, ohne den Rest anderweitig anzuregen oder zu zerbrechen). Die Gütezahl für solche Reaktionen ist$Q^2 = -q \cdot q$, und im Bereich von ca$1$--$8\text{+ GeV}^2$(die Obergrenze ist experimentell noch nicht bekannt) Der Wirkungsquerschnitt dafür (pro Zielproton) ist eine Konstante mal dem Wirkungsquerschnitt für die freie Reaktion$p(e,e'p)$. Die Konstante wird als "Kerntransparenz" bezeichnet und drückt die Wahrscheinlichkeit aus, dass das gestreute Proton erneut wechselwirkt, bevor es den Kern verlässt.

Siehe diese Abbildung aus meiner Dissertationsarbeit

Die Kerne (dargestellt durch unterschiedliche Markierungsformen und -farben) sind Deuterium, Kohlenstoff, Eisen und Gold, und die unterschiedlichen Markierungsfüllzustände und -größen repräsentieren drei Experimente. Fehlerbalken werden für alle Daten angezeigt und stellen Statistiken plus Punkt-zu-Punkt-Systematik dar (aber keine Systematik, die alle Daten für einen einzelnen Kern verschieben würde). Die durchgezogenen Linien sind eine modifizierte Glauber-Berechnung.

Ein großer Teil dessen, was sie im Jefferson-Labor tun, besteht darin, nach dem Wechsel zwischen Nukleon-Meson-Freiheitsgraden (wie sie von der Quantenhadrondynamik ziemlich gut beschrieben werden) und Quark-Gluon-Freiheitsgraden (wie sie von der Quantenchromodynamik beschrieben werden ) zu suchen; aber selbst das Einsetzen des QCD-dominierten Verhaltens entspricht nicht dem Quark--Gluon-Plasma, das bei viel höheren Energien auftritt.

Was ist der Beweis dafür, dass große Kerne Nukleonen als Unterstrukturen haben?

Das Periodensystem der Elemente? Dies zeigt eine organisierte interne Unterstruktur in Nukleonen, dh Tripletts von Quarks in SU(2)-Darstellungen:

Die Atommassen in der Tabelle liegen innerhalb eines prozentualen Vielfachen der Nukleonenmasse (die Bindungsenergie nimmt den Durchhang auf). Ein Quark-Gluon-Plasma würde diese ungefähre Quantisierung in Vielfachen von Tripletts nicht zeigen.

Ein Quark-Gluon-Plasma würde auf diese Weise nicht eingeschränkt.

Es gibt Experimente, die nach den Signaturen eines Quark-Gluon-Plasmas suchen. Hier ist eine Übersicht über solche Signaturen.

dmckee behandelt das Thema aus einer experimentellen Perspektive, aber Sie können sich dem Thema auch aus der theoretischen Perspektive der Quantenchromodynamik (QCD) nähern, was erklärt, warum die experimentellen Ergebnisse so ausfallen, wie sie es tun.

Eines der Kernprinzipien der QCD ist "Confinement", was bedeutet, dass die starke Kraft zwischen Quarks, die durch Gluonen vermittelt wird, so allgegenwärtig ist, dass keine der fünf Arten von Quarks, die keine Top-Quarks sind (Top-Quarks zerfallen so schnell, wie sie es nicht tun). Zeit haben, zusammengesetzte Strukturen zu bilden, was als Hadronisierung bezeichnet wird, bevor sie zerfallen) werden jemals in der Natur außerhalb eines "Hadrons" (einem zusammengesetzten Teilchen aus Quarks, die durch Gluonen gebunden sind) beobachtet - im Allgemeinen entweder drei Quarks (eines von jedem der drei QCD-Farben Ladungen) in einem "Baryon" oder einem Quark und einem Antiquark in einem "Meson" gebunden. Baryonen sind „Fermionen“ des Spins$-1/2 + N$(eine ganze Zahl), was bedeutet, dass sie sich wie gewöhnliche Materie verhalten (dh um es zu vereinfachen, Sie können nicht zwei von ihnen gleichzeitig am selben Ort haben), während "Mesonen" einen ganzzahligen Spin N haben, also, um es zu vereinfachen, mehr als man gleichzeitig im selben Raum sein kann.

Im Prinzip erlaubt QCD vier oder mehr Quark-Komposit-Partikel (Tetraquarks, Pentaquarks usw.) und eine Handvoll wurden beobachtet, aber in der Praxis sind die vier oder mehr Quark-Komposit-Partikel extrem instabil und schwer zu erzeugen Selbst in der seltenen Umgebung eines Teilchenbeschleunigers sieht man fast ausschließlich Mesonen und Baryonen.

Ein Quark-Gluon-Plasma kann die ansonsten eher automatische und vollständige Sortierung von Quarks in begrenzte Hadronen nur bei extrem hohen Energien "verfälschen", weil die starke Kraft sie stark dazu zwingt, innerhalb eines bestimmten Hadrons zu bleiben. In der "infraroten" Umgebung, der wir im täglichen Leben begegnen, oder sogar bei ziemlich hochenergetischen Anwendungen, reicht die Temperatur nicht aus, um die Tendenz der starken Kraft zu überwinden, Quarks zu Hadronen zu binden.

Wie heiß muss es sein?

Die Übergangstemperatur liegt bei ca$2 \cdot 10^{12} \mathrm K$was einer Energiedichte von etwas weniger als entspricht$1 \mathrm{GeV/fm^3}$(dh die Temperatur muss eine kinetische Energiedichte beitragen, die in ihrer Höhe mit der Energiedichte der Gluonen in einem Proton oder Neutron vergleichbar ist, um ihre Kupplungen zu überwinden). Dies ist mehr als hundertmal so heiß wie die heißeste Temperatur, die es irgendwo in der Sonne gibt (was ungefähr$1.5 \cdot 10^{10} \mathrm K$).

Wie schwer ist es, etwas so Energisches zu bekommen?

Das erste Mal, dass Menschen diese Energiedichten künstlich erzeugen konnten, war 2015 beim Large Hadron Collider (obwohl nicht eindeutige Hinweise darauf, dass wir dies getan haben könnten, bereits 2005 bei anderen Collidern zu sehen waren). Nichts im Sonnensystem war in den vier oder fünf Milliarden Jahren, seit es existiert, jemals zuvor so heiß gewesen.

Nun stellt sich auch heraus, dass von den Hunderten möglicher Baryonen und Mesonen kein Meson eine mittlere Lebensdauer von mehr als etwa einer zehnmillionstel Sekunde hat und nur zwei Arten von Baryonen eine mittlere Lebensdauer von mehr als etwa zehn milliardstel Sekunden haben zweite. Das Proton (das aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark besteht, die durch Gluonen gebunden sind) zerfällt nicht, und das Neutron (das aus einem Up-Quark und zwei Down-Quarks besteht) hat eine mittlere Lebensdauer von etwa 15 Minuten, wenn es frei ist (und kann möglicherweise in der richtigen Art von Atomkern stabil sein, hauptsächlich aufgrund der Erhaltung von Masse-Energie-Überlegungen in einem gebundenen Kern).

Der theoretische Grund dafür, dass Atomkerne keine Quark-Gluon-Plasmen sind, liegt darin, dass (1) (a) bei ausreichend kühlen Temperaturen und (1) (b) angesichts des winzigen Sekundenbruchteils, der für den Zerfall eines instabilen Hadrons erforderlich ist, (2 ) ihre konstituierenden Quarks werden zu Hadronen gezwungen und (3) die Hadronen zerfallen, bis sie nur noch aus stabilen Protonen und Neutronen (zusammen Nukleonen) bestehen.

Eine Restwirkung der starken Kraft (die hauptsächlich durch eine Art Meson namens Pion vermittelt wird, das zwischen Nukleonen ausgetauscht wird) bindet die Nukleonen zu einem Atomkern zusammen, aber weit weniger fest aneinander als die Quarks innerhalb der Nukleonen durch die starke Kraft.

Nun, diese Bindungskraft selbst ist nicht zu verachten – das ist die Quelle aller Energie, die durch Kernfusion in einer H-Bombe oder einem Stern wie der Sonne und der Kernspaltung in einer A-Bombe oder einem Kernreaktor entsteht. Aber die starke Kraft, die Quarks in Protonen und Neutronen bindet, ist viel stärker, weshalb es so extremer Bedingungen bedarf, um sie zu überwinden.

• Vorbehalt: Es gibt mehrere, zunehmend komplexere Möglichkeiten, um zu beschreiben, was in einem Hadron vor sich geht. Zusätzlich zu den oben beschriebenen „Valanzquarks“, die an den Austausch von Gluonen gebunden sind, gibt es auch ein „Meer“ von Quark-Antiquark-Paaren, die sich für viele Zwecke aufheben, aber nicht ignoriert werden können, wenn Sie Protonen in der Höhe zusammenschlagen wollen Geschwindigkeiten oder Sie wollen die Masse eines Hadrons aus Grundprinzipien berechnen. So könnte man zum Beispiel Protonen zertrümmern, nur um festzustellen, dass Strange- oder Charm- oder Bottom-Quarks herausfallen, wenn der Stoß genügend Energie hat, obwohl keines der Valenzquarks eines Protons von diesem Typ ist. Diese Komplexität ist jedoch nicht erforderlich, um theoretisch auf der Grundlage von QCD zu verstehen, warum Quarks in einem Atomkern in Protonen und Neutronen unterteilt werden.

So wie wir wissen, dass Wasserdampf aus winzigen (flüssigen) Wassertröpfchen besteht. Es gibt ein zugehöriges Phasenpotential, ausgedrückt als Oberflächenspannungen, die die Grenze zwischen verschiedenen Zuständen der Materiekondensation bestimmen. Darüber hinaus gibt es keine weitere Unterscheidung.

Wenn überhaupt, können Sie einzelne Nukleonen als adiabatische Annäherung verstehen, die gültig ist, wenn die Wechselwirkungsenergien und -zeiten unterhalb der Skalen liegen, in denen asymptotische Freiheit über Confinement dominiert (was der Meilenstein ist, der ein echtes Quark-Gluon-Plasma definiert). Mit anderen Worten, Reaktionen mit niedriger Energie haben dominante Kernreaktionen, die hauptsächlich stabile Nebenprodukte produzieren, weil sie Zeit haben, sich zu thermalisieren, bevor sie den Kern verlassen. Aber diese stabilsten Unterprodukte sind selbst die Nukleonen (Protonen, Neutronen und Aggregate davon, dh: Alpha). In diesem Sinne können wir sagen, dass "es Nukleonen gibt", aber nur, weil es sich um besonders stabile Formen handelt, die bei den meisten, aber den energiereichsten Reaktionen erzeugt werden, bei denen eine solche adiabatische Annäherung nicht mehr gültig wäre

Streuexperimente sind es, die uns etwas über Substrukturen in der Atom- und Kernphysik sagen. Je höher die Energie der Sonde (in der Regel ein geladenes Teilchen), desto feiner die Auflösung und desto mehr Unterstruktur kann man sehen. Im Fall von Kernen offenbarte dieser Prozess die Nukleonen als Unterstruktur. Im Fall der Nukleonen selbst offenbarte dies die Existenz von 3 „Partons“ und einem Hintergrund-„Meer“. Wir kennen diese Partonen jetzt als Quarks und Gluonen, aber wie auch immer Sie sie nennen, wir sahen sie zuerst als punktartige Merkmale in den Verteilungen, die wir aus frühen Streuexperimenten gezogen haben.

Experimentelle Beweise für die Unterstruktur stammen normalerweise aus Streuung.