¿Cuándo/cómo se formaron/se formaron los quarks?

La formación de los quarks es bien conocida y también pueden crearse o destruirse hoy en día, como cualquier otra partícula. Los quarks se crean habitualmente en aceleradores de partículas, como el Gran Colisionador de Hadrones .

De acuerdo con la Teoría de los Campos Cuánticos , las partículas son perturbaciones en los campos cuánticos . Hay un campo asociado con cada partícula (el campo de electrones transporta electrones, el campo de quarks transporta quarks, el campo de Higgs transporta bosones de Higgs, etc.). Entonces, para crear cualquier partícula (como un electrón o un quark), solo necesita perturbar el campo respectivo con suficiente energía. En los colisionadores esto sucede porque colisionan partículas (perturbaciones en los campos), estas colisiones perturban otros campos cuánticos y esto conduce a la creación de nuevas perturbaciones (partículas). En el caso de los quarks, esto conduce a la producción de pares , pero debido al confinamiento, los quarks se endurecen y, de hecho, detectamos chorros.

Las partículas entrantes para la producción de pares de quarks pueden ser de varios tipos. En el LHC chocamos protones, pero los quarks se pueden crear, por ejemplo, aniquilando electrones y positrones . Este es un ejemplo de aniquilación donde los productos no son fotones, sino partículas más pesadas. Solo necesita hacer chocar los 2 leptones con suficiente energía para permitir la producción de quarks.

No sabemos qué pasó antes del Big Bang. Pero después del Big Bang, todos los campos cuánticos (incluidos los campos de quarks) se perturbaron masivamente, por lo que se crearon muchas partículas de todo tipo. El principio subyacente de la creación de partículas es el mismo para el Big Bang y para los colisionadores: perturbar un campo cuántico. La diferencia es de dónde viene la perturbación. El problema es que las partículas generalmente se crean en pares (partícula y su antipartícula). Esto conduciría a la aniquilación completa en una etapa posterior. Todavía no está completamente claro qué causó que ahora haya materia a nuestro alrededor (lo que implica que se produjeron más partículas que antipartículas en el Big Bang). Esto está relacionado con la bariogénesis , como menciona Bert Barrois en su comentario.

Los quarks se pueden convertir en otras partículas, si se aniquilan . Hay varias formas en que los quarks pueden aniquilarse, por lo que un resumen completo sería extenso. Un ejemplo es la aniquilación de quarks en mesones. Los mesones son partículas compuestas hechas de quark y antiquark. Ciertos mesones contienen quark y antiquark del mismo tipo (como neutral$\pi$mesón), por lo que la aniquilación ocurre y la vida útil de tales partículas es corta . En otros mesones, el quark y el antiquark son de diferente tipo, pero aún pueden interactuar, aunque es una cuestión de si se puede llamar "aniquilación" . Una interacción un poco más inusual sería, por ejemplo, el quark bottom + anti-bottom que se aniquila en el bosón de Higgs .

¿Tienen los físicos alguna idea de cómo se formaron los quarks?

Hay teorías en competencia y no hay respuestas definitivas sobre cuándo se formaron la mayoría de los quarks en el universo. El número neto de quarks menos antiquarks dividido por tres se llama número bariónico y esa cantidad es una cantidad conservada en el Modelo Estándar excepto por lo que se conoce como procesos sphaleron a temperaturas muy altas (primeros momentos después del Big Bang) de 10 TeV.

Además, los procesos de Sphaleron no son un mecanismo suficiente para obtener el universo de un quark cero, un estado de energía pura en el tiempo = 0, que es lo que a muchos cosmólogos les gusta suponer que el universo primitivo era por consideraciones estéticas. Pero, si esas son las condiciones iniciales, entonces debe haber algún tipo de número bariónico que viole el proceso de alta energía que es nueva física para crear más quarks que antiquarks en grandes cantidades, porque de otra manera no podemos explicar la asimetría bariónica . del universo (es decir, el exceso desequilibrado de átomos de materia sobre los átomos de antimateria).

Todos los procesos, excepto el proceso sphaleron, crean nuevos quarks y nuevos antiquarks en cantidades iguales.

¿Cuándo sucedió eso, antes de BB?

Bueno, sabemos que tuvo lugar principalmente antes de la Nucleosíntesis del Big Bang , porque para entonces los quarks se habían convertido en su mayoría en protones y neutrones. Y, en un tiempo = 0 en la cosmología del Big Bang , eso no deja mucho tiempo para hacer el trabajo.

Las cosmologías de rebote no asumen que el Big Bang actual comenzó en un estado de energía pura, por lo que puede haber tenido un número bariónico distinto de cero, lo que es más consistente con la observación.

¿Se pueden producir en cualquier momento del presente? ¿En qué circunstancias?

Los colisionadores de partículas crean pares quark-antiquark diariamente y los aniquilan, en grandes cantidades que se entienden muy bien matemáticamente . Los pares virtuales quark-antiquark se crean y destruyen constantemente en casi todas partes.

Pero estas interacciones conservan el número bariónico, por lo que el número neto de quarks menos antiquarks en el universo permanece exactamente constante.

¿Pueden/son convertidos en energía?

La aniquilación de quarks que son idénticos en todos los aspectos excepto en su carácter de quark-antiquark puede dar lugar a fotones o gluones de alta energía que los convierten en energía. Pero, en la práctica, esto rara vez sucede tan limpiamente porque los quarks están " confinados " en partículas compuestas de quarks y gluones llamadas hadrones en lugar de flotar libremente por sí mismos.