¿Cómo el mero movimiento de los gluones mantiene unidos a los quarks?

Te has topado con una de las preguntas más interesantes de QED y QCD, es decir, ¿cómo podemos modelar las fuerzas de atracción y repulsión mediante el intercambio de los mediadores sin masa (fotón y gluón respectivamente)? La respuesta es matemáticamente muy complicada y cuando buscamos una explicación en nuestra visión clásica cotidiana, hay una analogía muy bonita:

Estas son muy buenas explicaciones analógicas clásicas de cómo las leyes de conservación del momento pueden ser obedecidas por el intercambio de partículas mediadoras (en su caso, gluones). Para las fuerzas repulsivas, es más fácil de entender arrojándose pelotas entre sí, pero las fuerzas atractivas son un poco más difíciles de entender clásicamente, estos boomerangs pueden dar una buena analogía.

¿Cómo pueden los fotones hacer que las cargas se atraigan?

Todas las líneas internas en un diagrama de Feynman son portadoras de fuerza, es decir, transfieren dp/dt por construcción, no solo los bosones de calibre. Consulte el diagrama de dispersión Compton, por ejemplo. Lattice QCD busca soluciones directas en la red y, por lo tanto, el concepto de partículas virtuales no es necesario. Es un enfoque de cálculo diferente, aunque el artículo involucra propagadores de quarks en los cálculos.

¿Las partículas portadoras de fuerza son siempre partículas virtuales?

Es muy importante entender que normalmente estos intercambios de mediadores se describen utilizando un modelo matemático que utiliza partículas virtuales (como fotones virtuales), aunque en el caso de QCD reticulares las partículas virtuales no son necesarias.

Desafortunadamente, no hay una buena respuesta.

La respuesta es que el mundo cuántico es raro y tu imagen de las pelotas no funciona realmente a ese nivel.

Una respuesta un poco mejor es: los gluones intercambiados son virtuales, lo que significa que en realidad no existen, lo que les permite comportarse de formas que están clásicamente prohibidas.

La analogía de la gente tirándose pelotas entre sí no funciona. En la teoría cuántica de campos, todas las interacciones suceden a través del intercambio de partículas, pero la situación realmente no se parece en nada a ninguna analogía que haya escuchado en la mecánica clásica. La explicación está en las matemáticas.

Las partículas interactúan entre sí a través de un campo (como el campo electromagnético o el campo de calibre), y cuando aplicamos las leyes de la mecánica cuántica a un campo, descubrimos que la energía del campo solo puede venir en porciones discretas (cuantos). que asociamos con las partículas. Por ejemplo, para el campo electromagnético, la partícula asociada es el fotón, por lo que las interacciones electromagnéticas, mediadas por el campo electromagnético, se dan a través del intercambio de fotones.

Una simple razón por la que su analogía con el lanzamiento de pelotas es engañosa es que no puede lanzar pelotas "virtuales", es decir, pelotas cuya relación energía-momento está errada. Además, los "puntos de interacción", donde una partícula envía la partícula de intercambio y la otra la atrapa, no están localizados.

Cuando vas demasiado lejos con la historia de las "partículas de intercambio", se desmorona. Siempre prefiero pensar en toda la historia como una simple representación gráfica de expresiones matemáticas. Están sucediendo demasiadas cosas en QFT, especialmente en QCD, donde ni siquiera encontrarías partículas elementales libres debido al confinamiento.

El problema es que nuestra intuición clásica es simplemente incorrecta en ese nivel, por lo que es inútil tratar de construir interpretaciones casi clásicas, en mi humilde opinión.

La analogía de 'lanzarse pelotas unos a otros' da una imagen muy clara de las fuerzas de repulsión, pero no de las fuerzas de atracción. He visto intentos con boomerangs y no dejarlo ir, pero básicamente no funciona. Sospecho que, aunque a menudo se ve cuando se populariza QED y otras fuerzas, sería mejor que no lo usáramos. Lo siento. Pero es más confuso que útil.

Permítanme ofrecer, con cautela, una alternativa que no es totalmente satisfactoria pero probablemente mejor que recurrir a "Todo está en el material cuántico teórico".

Entre las partículas existe un campo que es función del desplazamiento entre ellas. Esa función se puede expandir como una transformada de Fourier, eso es solo matemáticas básicas. Eso es visualizable como ondas estacionarias de seno/coseno.

Ahora, una onda estacionaria se puede expresar como la suma de dos ondas viajeras.$cos(kx)e^{i\omega t}=(e^{i(kx+\omega t)}+e^{i(-kx+\omega t)})/2$. Si una partícula absorbe una de las ondas viajeras y la otra partícula absorbe a la otra, entonces cada partícula adquiere cierta cantidad de movimiento. Estos impulsos son iguales y opuestos, y pueden ser atractivos o repulsivos según qué partícula absorba qué onda.