Fuerza fuerte entre quarks que están fuera de contacto causal

Este es un escenario bastante artificial, pero me ha estado molestando últimamente.

Fondo

Debido al confinamiento en QCD, los quarks están ligados en configuraciones de color neutro. Cualquier intento de separar un quark de este estado ligado cuesta tanta energía que es suficiente para producir pares de nuevos quarks, de ahí los quark-jets en los experimentos con aceleradores.

Configuración

Ahora estoy considerando el escenario inverso (hipotético). Suponga que inicialmente tiene dos quarks (up y anti-up, por ejemplo) que se colocan lejos el uno del otro. Comprar ahora me refiero a más lejos que cualquier otra escala de longitud en CQD. Ahora, permita que los dos quarks se acerquen, como en un experimento de dispersión.

Pregunta

¿A qué distancia comienzan a interactuar los dos quarks y qué sucede? Dado que la fuerza fuerte está confinada, la interacción debería ser más fuerte cuanto más lejos estén los quarks, pero no pueden interactuar fuera de sus conos causales, entonces, ¿cómo funciona esto a distancias realmente largas?

Mis pensamientos

Me imagino que los quarks "libres" están en un estado metaestable y el verdadero estado fundamental es aquel en el que varios pares de quarks se han producido en pares para unirse con los dos quarks iniciales. Por lo tanto, cuanto más cerca están los dos quarks iniciales, más pequeña se vuelve la barrera de energía entre el estado fundamental metaestable y el verdadero. Así en alguna separación r hay una escala de tiempo característica antes de que ocurra la producción de pares.

Creo que estás confundiendo libertad asintótica y confinamiento en tu sección de antecedentes.
en segundo lugar, ¿qué quiere decir fuera del contacto causal? estás hablando de partículas, no de eventos. si esperas lo suficiente, la línea de mundo de uno estará dentro del cono de luz del otro
en la parte inversa de la historia, ¿dónde está el gluón?
@innisfree: Lo siento, fui descuidado con la noción de contacto causal. He actualizado el fondo y la configuración para cumplir con sus comentarios.
@igael: El gluón debería estar allí. Esto sigue siendo QCD, solo que con partículas a distancias muy grandes. ¿Sabes si hay algo intrínsecamente inestable en la creación de un quark aislado?

Respuestas (2)

No creo que esta suposición sea legítima:

Suponga que inicialmente tiene dos quarks (up y anti-up, por ejemplo) que se colocan lejos del contacto causal entre sí.

para una instalación experimental real. De hecho, ¿cuál habría sido la historia previa de esos dos quarks escorados (uno fuera del cono de luz del otro), para ser producidos aislados?

Si, de lo contrario, asume esta configuración, entonces su pregunta se vuelve interesante.

Supongo que esto es una especie de experimento gedanken: ¿cómo evolucionaría esta configuración inicial con el tiempo?
No estoy al tanto de algo fundamental en CQD que me impide crear dos quarks con una separación muy grande. Tal como escribe @innisfree, este es un experimento gedanken.
pero debido al confinamiento, no existe un quark libre. Entonces no es posible poner 2 quarks a una separación muy grande.

La fuerza fuerte es similar al electromagnetismo (la única diferencia es el grupo de indicadores), y al igual que las líneas de campo electromagnético, las líneas de campo de fuerza fuerte tienen que originarse/terminar donde hay carga. Cualquier otra cosa violaría la versión de fuerza fuerte de las ecuaciones de Maxwell.

En particular, si el universo contiene solo dos quarks y el campo se vuelve cero en el infinito, entonces necesariamente hay líneas de campo que conectan los quarks. De todas las formas posibles de hacer esto, la configuración de energía más baja es un tubo de flujo estrecho y recto.

Si de alguna manera pudiera producir esta configuración, en el siguiente instante se desintegraría en pares de quark-antiquark, por lo que nunca tendría la oportunidad de unir los quarks originales. Cualquier otra configuración de campo tendría mayor energía, por lo que el resultado sería el mismo pero más.

Si ese decaimiento nunca ocurriera (lo cual es absurdamente improbable pero no más improbable que producir esta configuración en primer lugar), simplemente tendría un tubo de flujo ejerciendo una fuerza constante de 10,000 N en cada quark como de costumbre. La fuerza proviene de la configuración del campo local, no del otro quark.

Entonces, si reformulo su respuesta y la relaciono con mis pensamientos en la pregunta. Estás diciendo que el estado que he creado ni siquiera es metaestable. Es inestable sin barrera de energía, y el producto de la descomposición es una larga línea de pares de quarks-anti-quarks que trazan el estrecho tubo de flujo recto.
@Mikael Fremling: Realmente no entiendo los detalles. Existe una barrera de energía ya que puede hacer que la vida media de la descomposición sea arbitrariamente larga aumentando la masa de la partícula cargada de color más ligera. Pero con las masas de quarks SM creo que sucede en la escala de tiempo característica de la fuerza fuerte que está alrededor 10 − 24 s. El resultado es un montón de hadrones, algo así como (antiquark original + quark nuevo 1), (antiquark nuevo 1 + quark nuevo 2), ..., aunque eso puede ser una simplificación excesiva. En cualquier caso, el tubo de flujo se "rompe" con nuevas partículas reales en las ubicaciones de las rupturas.
@Mikael Fremling: Aquí hay un artículo sobre lo que sucede si la partícula cargada de color más liviana es más masiva: arXiv:1708.02243 . Todavía hay un tubo de flujo, pero puede alargarse bastante sin romperse.
Fuerza fuerte entre quarks que están fuera de contacto causal
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