¿Adónde van la masa y el volumen de los dos quarks cuando crean un mesón?

Un quark y un antiquark son partículas fermiónicas con masa. ¿A dónde va dicha masa cuando se unen para crear un mesón?

La masa de los quarks contribuye a la masa del mesón. Sin embargo, esto suele ser una pequeña contribución. La masa de un mesón suele ser mucho mayor que la suma de las masas de los quarks constituyentes; la masa restante proviene de la energía de la fuerte interacción entre los quarks.

Si hay aniquilación en juego, ¿cómo son los mesones en primer lugar?

La aniquilación existe, pero no tiene que ocurrir inmediatamente. Por ejemplo, un estado ligado de un electrón y un positrón, llamado positronio , puede existir durante bastante tiempo antes de que el electrón y el positrón se aniquilen. Lo mismo ocurre con los quarks y los antiquarks.

Y, por último, ¿cómo funciona exactamente el volumen en un mesón, una partícula bosónica formada por partículas estándar fermiónicas? Los mesones por definición no deberían obedecer a la exclusión de Pauli. ¿Qué sucede entonces con el volumen de los quarks?

Los quarks son partículas puntuales, por lo que no tienen volumen. Los bosones compuestos hechos de fermiones son comunes en otras áreas de la física (por ejemplo, los condensados ​​de Bose-Einstein funcionan de manera similar), por lo que no hay nada especial en los mesones a este respecto.

Cuando un quark y un antiquark se unen en un mesón, no pierden su masa. Su masa contribuye a la masa del mesón, junto con su energía cinética y su energía potencial. Hay energía potencial asociada con la fuerza nuclear fuerte entre ellos y también energía potencial asociada con la fuerza electromagnética entre ellos.

Dichos mesones se descomponen después de un corto tiempo porque el quark y el antiquark se aniquilan y su energía forma otras partículas.

Por lo que sabemos, los quarks son partículas puntuales y no tienen volumen. Pero el mesón que es su estado ligado tiene un tamaño por la misma razón que un átomo de hidrógeno tiene un tamaño.

Las otras respuestas abordan la masa, pero ninguna de ellas realmente le da una razón real para el volumen, por lo que abordaré eso en detalle.

Los quarks y antiquarks son partículas elementales, puntuales, sin extensión espacial ni subestructura según el SM.

Los mesones, son partículas subatómicas hadrónicas formadas por un par de quark y antiquark, unidas por la fuerza fuerte.

Debido a que los mesones están compuestos de subpartículas de quarks, tienen un tamaño físico [se necesita más explicación], en particular, un diámetro de aproximadamente un femtómetro, 1 que es aproximadamente 1,2 veces el tamaño de un protón o un neutrón.

https://en.wikipedia.org/wiki/Mesón

Ahora usted está preguntando, debido a que el PEP no se aplica a los bosones, ¿por qué el mesón compuesto tiene un volumen?

Ahora los quarks son fermiones y obedecen al PEP. Pero no es tan simple. El PEP es solo para fermiones idénticos. El quark y el antiquark no pueden acercarse (más precisamente por qué no pueden ocupar el mismo estado QM) porque no es correcto decir PEP (ya que no son idénticos). Hay más razones por las cuales, y una de ellas es porque a distancias muy cortas se da el fenómeno de la libertad asintótica, lo que hará que la fuerza de unión pierda importancia.

En realidad, hay dos características más en la sopa que podrían abordar la pregunta del OP. Primero, cuando dos quarks se acercan demasiado, la libertad asintótica hace que su interacción con los gluones sea esencialmente insignificante: están libres entre sí. Y si son del mismo tipo se excluyen entre sí por el principio de Pauli; si no, algún tipo de antisimetrización también puede ser proporcionada por una versión generalizada de ese principio.

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

La otra razón es por qué el mesón compuesto (o cualquier compuesto formado por quarks) tiene un volumen, es que tienes una falsa imaginación de cómo los quarks forman mesones. Crees que los mesones son solo un quark y un antiquark. En realidad, se llama un mar de quarks, antiquarks y gluones, que crea el mesón, y solo si toma una imagen neta del mesón (considerando las leyes de conservación y aniquilación), entonces encontrará un quark y un antiquark. .

Los quarks, los antiquarks y los gluones bailan y se aniquilan y se emparejan sin parar, por lo que se "superponen" en los diagramas de feynman de las interacciones individuales y se aniquilan. Los tres quarks de valencia se pierden en la sopa, y en cualquier caso es una cuestión de conservación de los números cuánticos, debería haber un exceso de uno abajo y dos arriba para el protón. Por lo tanto, no se trata de repeler, es solo que, en general, los quarks arriba y abajo deben sumar los quarks de valencia de un protón, y lo mismo ocurre con el exceso de neutrón dos abajo uno arriba en la sopa.

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

Para tener una idea de cómo las interacciones fuertes vinculan a los hadrones, mire esta ilustración de un protón, que es un estado ligado por tres quarks, llamados valencia, que cuentan números cuánticos.

Se podría dibujar algo similar para un pión.

Debido a que las interacciones fuertes son fuertes , la constante de acoplamiento es 1 , se puede suponer que existe un número innumerable de gluones y pares de quarks antiquark dentro de un hadrón, creados continuamente por gluones y aniquilados en gluones. La suma de los números cuánticos se suma a los números cuánticos de los quarks de valencia que caracterizan al hadrón.

Afortunadamente estamos en el régimen especial de la relatividad, lo que significa que los cuatro vectores de todo este lío suman un cuatro vector cuya masa invariante es la masa del hadrón, mucho mayor que la masa de los quarks de valencia. Los quarks de valencia están por debajo de 5 Mev, y el pión por encima de 100. En cualquier caso, las masas dentro de la bolsa de hadrones están fuera de la capa de masa, lo importante es la suma de cuatro masas vectoriales.

Todo lo anterior es cualitativo, porque no se pueden hacer cálculos con los diagramas de Feynman usuales para interacciones fuertes. Se han encontrado nuevas herramientas y se están buscando. QCD en la red ha tenido bastante éxito en el cálculo de los espectros de masas de los hadrones, y la investigación aún continúa.

En cuanto al principio de exclusión de Pauli, hay tantos niveles de energía en este lío, que no hay dificultad para que todos estos fermiones existan en uno de ellos, de nuevo hablando cualitativamente, ya que no es posible calcularlos.