Aus meiner jüngsten Erfahrung im Unterrichten von Gymnasiasten habe ich herausgefunden, dass ihnen beigebracht wird, dass die starke Kraft zwischen Nukleonen durch virtuellen Pion-Austausch vermittelt wird, während es zwischen Quarks Gluonen sind. Ihnen wird jedoch nichts über Farbe oder Quark-Confinement beigebracht.
Ist es auf einer anspruchsvolleren Ebene der Physik nur so, dass die Mathematik für beide Arten von Bosonen gleich gut funktioniert, oder ist eine (Art von Bosonen) tatsächlich korrekter als die andere?
Sehr geehrte qftme, ich stimme zu, dass Ihre Frage eine umfassendere Antwort verdient. Die Antwort „Pionen“ oder „Gluonen“ hängt davon ab, mit welcher Genauigkeit Sie die starke Kraft beschreiben wollen.
Historisch gesehen wussten die Menschen in den 1930er Jahren nichts über Quarks und Gluonen, als sie zum ersten Mal begannen, die Kräfte in den Kernen zu untersuchen.
Im Jahr 1935 leistete Hideki Yukawa den wichtigsten frühen Beitrag der japanischen Wissenschaft zur Physik, als er vorschlug, dass es Kräfte mit kurzer Reichweite geben könnte, die ansonsten analog zum Elektromagnetismus mit großer Reichweite sind, dessen Potenzial ist
Der Vermittler der starken Kraft wurde also für einen Pion gehalten, und das Modell funktionierte ziemlich gut. (In den 1930er Jahren verwechselten die Menschen auch Myonen und Pionen in der kosmischen Strahlung, indem sie Namen verwendeten, die in den Ohren der zeitgenössischen Physiker bizarr klingen – wie Mesotron, eine Mischung aus Pion und Myon, aber das ist eine andere Geschichte.)
Das Pion-Modell war selbst dann brauchbar, als die nuklearen Wechselwirkungen in den 1960er Jahren viel quantitativer verstanden wurden. Die Pionen sind "Pseudo-Goldstone-Bosonen". Sie sind spinlose (fast) masselose Bosonen, deren Existenz durch die Existenz einer gebrochenen Symmetrie garantiert ist – in diesem Fall war es die Symmetrie, die die drei Geschmacksrichtungen dreht, die wir derzeit als Geschmacksrichtungen kennen leichte Quarks. Die Symmetrie ist ungefähr, weshalb die Pseudo-Goldstone-Bosonen, die Pionen (und Kaonen), nicht gerade masselos sind. Aber sie sind immer noch deutlich leichter als die Protonen und Neutronen.
Die Theorie mit den fundamentalen Pion-Feldern ist jedoch nicht renormierbar – sie läuft darauf hinaus, dass die Lagrange-Funktion hochgradig nichtlinear und kompliziert ist. Es produziert unweigerlich absurde Vorhersagen bei ausreichend kurzen Entfernungen oder ausreichend hohen Energien – Entfernungen, die kürzer sind als der Protonenradius.
Eine bessere Theorie musste her. Schließlich wurde es in der Quantenchromodynamik gefunden, die alle Protonen, Neutronen und sogar Pionen und Kaonen (und Hunderte von anderen) als gebundene Zustände von Quarks (und Gluonen und Antiquarks) erklärt. In dieser Theorie werden alle Hadronen als komplizierte zusammengesetzte Teilchen beschrieben und alle Kräfte laufen letztendlich auf das QCD-Lagrange hinaus, wo die Kraft auf die Gluonen zurückzuführen ist.
Wann immer Sie also die Physik mit ausreichend hoher Energie oder Auflösung studieren, so dass Sie "in" die Protonen und die Quarks sehen, müssen Sie offensichtlich Gluonen als Boten verwenden. Pionen als Boten sind nur in ungefähren Theorien gut, in denen die Energien viel kleiner als die Protonenmasse sind. Diese Bedingung bedeutet auch, dass die Geschwindigkeiten der Hadronen viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit sein müssen.
Das sind ein paar nette Antworten!
Wollte hinzufügen, dass, wie Sie wissen, die Stärke der Quarks, die aneinander koppeln (oder miteinander interagieren), impulsabhängig ist. Innerhalb der Nukleonen (Protonen und Neutronen) ist die Quarkkopplung also sehr stark (weshalb die Quarks in den Nukleonen eingeschlossen sind).
Da die Interquark-Wechselwirkung bei diesen Energien so stark ist, ist es unmöglich, sie perturbativ zu behandeln (d. h. in Form von Gluon-Austausch). Deshalb sprechen wir im Regime der Nukleonen stattdessen von Mesonenaustausch wie Pionenaustausch (Arbeit von Witten und Weinberg), nicht von Gluonenaustausch.
Zusammenfassend: QCD hat eine impulsabhängige Kopplung. Bei niedrigen Energien ist es also unmöglich, es perturbativ zu behandeln (als Quarks, die Gluonen austauschen). Wir ändern unsere Ansicht und behandeln es als Baryonen (wie Nukleonen), die Mesonen austauschen.
Gluonen vermitteln die starke Kraft zwischen Quarks. Pionen vermitteln die Kernkraft oder Nukleon-Nukleon-Wechselwirkung oder RESIDUAL starke Kraft. Die Antwort auf Ihre Frage lautet also BEIDES. In unterschiedlichem Maße, aber beides. Siehe Wikipedia:
Wenn Sie sich das Standardmodell ansehen, finden Sie nur Gluonen. Das ist sehr klar und sollte alle Zweifel ausräumen. (Pionen sind ein historisches Relikt aus der Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts, das nur eine Annäherung darstellt.)
anna v
qftme
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