¿Las cargas de quarks se repelen entre sí?

Experimentalmente se ha medido la distribución de carga de protones y neutrones en función del radio.

Entonces, el diferente contenido de carga de los dos nucleones afecta las distribuciones. Como dice la otra respuesta, este es el régimen en el que solo los modelos de cromodinámica cuántica pueden intentar describir las funciones de onda de los quarks dentro de los nucleones, por lo que si la palabra fuerza tiene un significado, es a través del potencial que lo representa clásicamente. En el nucleón, no se trata de un simple potencial de 1/r culombio entre quarks libres, ya que la fuerte interacción con las cargas coloreadas entre quarks domina el problema.

En el régimen de las partículas elementales, y los quarks forman parte de ellas, se suele hablar de interacciones y no de fuerzas, pero la gente sí las llama fuerzas también:

Las interacciones fundamentales, también conocidas como fuerzas fundamentales, son las interacciones en los sistemas físicos que no parecen reducirse a interacciones más básicas. Hay cuatro interacciones fundamentales convencionalmente aceptadas: gravitacional, electromagnética, nuclear fuerte y nuclear débil. Cada uno se entiende como la dinámica de un campo. La fuerza gravitacional se modela como un campo clásico continuo. Los otros tres están modelados como campos cuánticos discretos y exhiben una unidad medible o partícula elemental.

Si uno tiene un electrón y un protón, puede resolver el potencial de culombio 1/r para el átomo de hidrógeno y obtener resultados que se ajusten a los datos espectrales. El 1/r proviene de la conexión de fuerzas conservativas al potencial ( -dV(x)/dx=F(x)), el comportamiento de la fuerza electromagnética, aunque no es algo directamente medible. Solo las distribuciones de probabilidad para encontrar el electrón en un (x, y, z, t) pueden predecirse mediante la teoría/modelo de la mecánica cuántica.

En el caso de la interacción fuerte, existen cargas de color entre los quarks que son atractivas y el potencial es ~r^2, aumentando al aumentar la distancia. La interacción entre estos dos potenciales cuando se introducen en los modelos mecánicos cuánticos debería dar las distribuciones observadas, así como otras formas funcionales, como dipolos y cuadrupolos.

Esta no es una pregunta significativa.

No, de verdad, no lo es. Los quarks no existen como objetos con carga libre en los que podamos tomar el límite clásico y considerar "fuerzas" sobre ellos. Están confinados y ocurren solo como constituyentes de estados ligados. En mecánica cuántica, no tiene sentido preguntarse si los constituyentes de un estado ligado se "repelen" o "atraen" entre sí. Los electrones en un átomo no son "atraídos" en ningún sentido significativo por el núcleo, excepto que el potencial de Coulomb "atractivo" es responsable de la existencia de los estados de electrones enlazados en primer lugar, pero no hay "fuerza". Todo lo que queda de la idea clásica de fuerza será una cierta contribución a la energía de enlace por parte del potencial correspondiente.

En el artículo "The Anatomy of a Neutron" de Timothy Paul Smith (disponible en línea), el autor dijo en la Figura 3 que "En un modelo de quark que incluye espín, hay una repulsión (¿repulsión?) entre quarks con paralelo gira, por lo que los quarks tendrán órbitas ligeramente distorsionadas. En el protón, el efecto sobre el radio de carga es casi imperceptible. Sin embargo, en el neutrón, conduce a una superficie ligeramente negativa y un centro ligeramente positivo".

¿Las cargas de quarks se repelen entre sí?

No. Los quarks no son bolitas, ni son cargas puntuales. Es teoría cuántica de campos, no teoría cuántica de partículas puntuales. Es la naturaleza ondulatoria de la materia, no la naturaleza de partículas puntuales de la materia. Eche un vistazo a algunas imágenes de ondas electromagnéticas . La primera parte de la onda es positiva, la segunda parte es negativa. Pero las dos partes no se repelen. Es similar para los quarks. Puede resolver esto pensando en la difracción de protones y la producción y aniquilación de pares. En la aniquilación de protón-antiprotón de baja energía a fotones gamma, comenzaste con 2 cosas con forma de onda y terminaste con 2 cosas con forma de onda. El hecho de que los primeros tengan tres partes y los segundos dos no hace mucha diferencia.

Las cargas eléctricas positivas repelen otras cargas positivas y las negativas repelen a las negativas. Pero, ¿eso también sucede con los quarks?

No, porque un quark no es en realidad una partícula cargada como un electrón. Sé que la gente dice que es una partícula fundamental, pero nadie ha visto nunca un quark libre. En mi humilde opinión, es mejor pensar en ello como un "componente de partículas del mínimo común denominador" en lugar de una partícula real por derecho propio. Es similar para los gluones. Los gluones en hadrones ordinarios como el protón son virtuales , y las partículas virtuales existen sólo en las matemáticas del modelo .

Nunca lo mencioné, pero si es así, eso significaría que los quarks up en un protón se repelen activamente entre sí, ¿no es así? Lo mismo para los quarks down en los neutrones, por supuesto.

No. Como dijo ACuriousMind, los quarks no existen como objetos con carga libre, están confinados y ocurren solo como constituyentes de estados ligados. En mi humilde opinión, para comprender realmente esto, debe consultar la teoría del campo cuántico topológico . ¿Ves los tréboles azules en la parte superior de esta página del club TQFT ? Están ahí por una razón, y es el secreto peor guardado de la física. Rebusca y pronto encontrarás estas imágenes de un protón y un trébol:

Ponga su dedo en el trébol en la parte inferior izquierda, luego gírelo en sentido contrario a las agujas del reloj diciendo las direcciones cruzadas: arriba, abajo arriba . Ahora, ¿dónde has oído eso antes? ¡JAJAJA! Los quarks son solo partes del estado ligado. No son partículas puntuales. Si lo fueran, no podrías difractar protones, neutrones o buckyballs. Los quarks son "partones", o partes, no cosas que puedan existir por sí mismas.