Wohin gehen Masse und Volumen der beiden Quarks, wenn sie ein Meson erzeugen?

Ein Quark und ein Antiquark sind fermionische Teilchen mit Masse. Wohin geht diese besagte Masse, wenn sie sich verbinden, um ein Meson zu erzeugen?

Die Masse der Quarks trägt zur Masse des Mesons bei. Dies ist jedoch in der Regel ein kleiner Beitrag. Die Masse eines Mesons ist typischerweise viel größer als die Summe der Massen der konstituierenden Quarks; die restliche Masse stammt aus der Energie der starken Wechselwirkung zwischen den Quarks.

Wenn Vernichtung im Spiel ist, wie entstehen dann überhaupt Mesonen?

Vernichtung existiert, aber sie muss nicht sofort geschehen. Zum Beispiel kann ein gebundener Zustand eines Elektrons und eines Positrons, genannt Positronium , eine ganze Weile existieren, bevor das Elektron und das Positron vernichten. Gleiches gilt für Quarks und Antiquarks.

Und schließlich, wie genau „funktioniert“ das Volumen in einem Meson, einem bosonischen Teilchen, das aus fermionischen Standardteilchen besteht? Mesonen sollten per Definition nicht dem Pauli-Ausschluss gehorchen. Was passiert dann mit dem Volumen der Quarks?

Quarks sind Punktteilchen, haben also kein Volumen. Zusammengesetzte Bosonen aus Fermionen sind in anderen Bereichen der Physik üblich (z. B. funktionieren Bose-Einstein-Kondensate auf ähnliche Weise), daher gibt es in dieser Hinsicht nichts Besonderes an Mesonen.

Wenn sich ein Quark und ein Antiquark zu einem Meson verbinden, verlieren sie nicht ihre Masse. Ihre Masse trägt zusammen mit ihrer kinetischen Energie und ihrer potentiellen Energie zur Masse des Mesons bei. Es gibt potentielle Energie, die mit der starken Kernkraft zwischen ihnen verbunden ist, und auch potentielle Energie, die mit der elektromagnetischen Kraft zwischen ihnen verbunden ist.

Solche Mesonen zerfallen nach kurzer Zeit, weil sich Quark und Antiquark vernichten und ihre Energie andere Teilchen bildet.

Soweit wir das beurteilen können, sind Quarks Punktteilchen und haben kein Volumen. Aber das Meson, das ihr gebundener Zustand ist, hat aus dem gleichen Grund eine Größe, aus dem ein Wasserstoffatom eine Größe hat.

Die anderen Antworten sprechen die Masse an, aber keine von ihnen gibt Ihnen wirklich einen wirklichen Grund für die Lautstärke, also werde ich darauf ausführlich eingehen.

Quarks und Antiquarks sind Elementarteilchen, punktförmig, ohne räumliche Ausdehnung oder Unterstruktur gemäß der SM.

Mesonen sind hadronische subatomare Teilchen, die aus einem Quark- und Antiquark-Paar bestehen, die durch die starke Kraft gebunden sind.

Da Mesonen aus Quark-Subpartikeln bestehen, haben sie eine physikalische Größe [weitere Erklärung erforderlich], insbesondere einen Durchmesser von etwa einem Femtometer, 1 was etwa dem 1,2-fachen der Größe eines Protons oder Neutrons entspricht.

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

Jetzt fragen Sie, weil das PEP nicht auf Bosonen zutrifft, warum hat das zusammengesetzte Meson ein Volumen?

Nun sind Quarks Fermionen, und sie gehorchen dem PEP. Aber es ist nicht so einfach. Der PEP gilt nur für identische Fermionen. Das Quark und das Antiquark können nicht nahe zusammenkommen (genauer gesagt, warum sie nicht denselben QM-Zustand einnehmen können), weil das PEP nicht korrekt ist (da sie nicht identisch sind). Dafür gibt es mehrere Gründe, und einer davon ist, dass bei sehr kurzen Entfernungen das Phänomen der asymptotischen Freiheit auftritt, wodurch die Bindungskraft an Bedeutung verliert.

Es gibt tatsächlich zwei weitere Funktionen in der Suppe, die die Frage des OP beantworten könnten. Erstens, da zwei Quarks sich viel zu nahe kommen, macht die asymptotische Freiheit ihre Gluon-Wechselwirkung im Wesentlichen unbedeutend – sie sind voneinander befreit. Und wenn sie gleichartig sind, schließen sie sich nach dem Pauli-Prinzip aus; wenn nicht, kann auch eine Art Antisymmetrisierung durch eine verallgemeinerte Version dieses Prinzips bereitgestellt werden.

https://physics.stackexchange.com/a/396041/132371

Der andere Grund, warum das zusammengesetzte Meson (oder irgendetwas, das aus Quarks besteht) ein Volumen hat, ist, dass Sie sich eine falsche Vorstellung davon machen, wie Quarks Mesonen bilden. Sie glauben, dass Mesonen nur ein Quark und ein Antiquark sind. In Wirklichkeit nennt man es ein Meer von Quarks, Antiquarks und Gluonen, das das Meson erzeugt, und nur wenn Sie ein Netzbild des Mesons machen (unter Berücksichtigung der Erhaltungsgesetze und der Vernichtung), dann finden Sie ein Quark und ein Antiquark übrig .

Quarks und Antiquarks und Gluonen tanzen umher und vernichten und paaren sich ununterbrochen, so dass sie sich in den Feynman-Diagrammen der einzelnen Wechselwirkungen "überlappen" und vernichten. Die drei Valenzquarks gehen in der Suppe verloren, und auf jeden Fall ist es eine Frage der Quantenzahlerhaltung, es sollte für das Proton einen Überschuss von eins nach unten und zwei nach oben geben. Es geht also nicht um Abstoßung, es ist nur so, dass sich die Quarkness oben und unten insgesamt zu den Valenzquarks eines Protons addieren sollte, und dasselbe gilt für das Neutron zwei unten eins oben Überschuss in der Suppe .

https://physics.stackexchange.com/a/396041/132371

Um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie starke Wechselwirkungen Hadronen binden, sehen Sie sich diese Illustration eines Protons an, das ein gebundener Zustand von drei Quarks ist, Valenz genannt, und Quantenzahlen zählt.

Etwas Ähnliches könnte für ein Pion gezeichnet werden.

Da starke Wechselwirkungen stark sind , die Kopplungskonstante 1 beträgt , kann angenommen werden, dass innerhalb eines Hadrons unzählige Gluonen und Antiquark-Quark-Paare existieren, die kontinuierlich von Gluonen erzeugt und zu Gluonen vernichtet werden. Die Summe der Quantenzahlen ergibt die Quantenzahlen der Valenzquarks, die das Hadron charakterisieren.

Glücklicherweise befinden wir uns im Regime der speziellen Relativitätstheorie, was bedeutet, dass sich die vier Vektoren dieses ganzen Durcheinanders zu einem Vierervektor addieren, dessen unveränderliche Masse die Masse des Hadrons ist, viel größer als die Masse der Valenzquarks. Die Valenzquarks sind unter 5 Mev und das Pion über 100. In jedem Fall sind die Massen innerhalb der Hadronentasche außerhalb der Massenschale, es ist die summierte Masse der vier Vektoren, die wichtig ist.

All dies ist qualitativ, weil keine Berechnungen mit üblichen Feynman-Diagrammen für starke Wechselwirkungen durchgeführt werden können. Neue Werkzeuge wurden gefunden und werden gesucht. QCD auf dem Gitter war ziemlich erfolgreich bei der Berechnung der Massenspektren von Hadronen, und die Forschung ist noch nicht abgeschlossen.

Was das Pauli-Ausschlussprinzip betrifft, so gibt es in diesem Durcheinander so viele Energieniveaus, dass es keine Schwierigkeit für alle diese Fermionen gibt, in einem von ihnen zu existieren, wiederum qualitativ gesprochen, da es nicht möglich ist, sie zu berechnen.