¿Por qué el confinamiento se aplica solo a los quarks y no a los nucleones?

Si tomas un electrón y un protón, hay una fuerte fuerza electromagnética entre ellos porque el electrón tiene una carga de$-e$y el protón tiene una carga de$+e$. Sin embargo, suponga que combina el electrón y el protón en un átomo de hidrógeno. El átomo de hidrógeno tiene una carga neta de cero, por lo que no existe una fuerte fuerza electromagnética entre dos átomos de hidrógeno.

Sin embargo, la cancelación de la carga del electrón y del protón no es completa porque no ocupan exactamente el mismo punto en el espacio. En promedio, el espacio entre el electrón y el protón es el radio de Bohr $a_0$, por lo que si tiene dos átomos de hidrógeno, la distancia electrón-electrón puede diferir de la distancia protón-protón en aproximadamente$a_0$. El resultado es que existe una fuerza relativamente débil entre los dos átomos de hidrógeno llamada fuerza de dispersión de London .

El punto de todo esto es que algo básicamente similar sucede en los núcleos. Es más complicado porque los quarks tienen tres tipos de carga, pero básicamente, mientras que la fuerza fuerte actúa entre dos quarks, los hadrones tienen una carga de color neta cero, por lo que no hay una fuerza fuerte que actúe entre dos hadrones.

Sin embargo, al igual que un átomo de hidrógeno, los quarks tienen una separación promedio distinta de cero y, como resultado, existe una fuerza más débil que actúa entre dos hadrones. Esto es lo que llamamos la fuerza nuclear fuerte . Es una terminología algo confusa debido a un accidente de la historia, pero la fuerza fuerte es la fuerza que actúa entre dos objetos con una carga de color distinta de cero, mientras que la fuerza nuclear fuerte actúa entre dos hadrones con una carga de color (neta) cero. La fuerza nuclear fuerte es el equivalente hadrónico de la fuerza de dispersión de London.

Y finalmente, la fuerza nuclear fuerte se debilita con la distancia y, de hecho, se debilita muy rápidamente con la distancia. Mientras que la fuerza EM cae como$r^{-2}$la fuerza nuclear fuerte cae como$e^{-ar}$(para alguna constante$a$). Por eso el neutrón puede escapar de un núcleo de helio-5.

Esto está relacionado con la llamada "carga de color" que llevan las partículas involucradas en una interacción fuerte. Aunque al principio se propuso permitir la existencia de los mismos quarks dentro de los bariones (a pesar del principio de exclusión de Pauli), también se usa para describir la capacidad de los hadrones para estar libres de confinamiento: solo las partículas incoloras (o blancas) pueden estar libres.

Esta no es una explicación completa del fenómeno, es más bien un modelo que describe bien toda la variedad de hadrones conocidos en función de su simetría. Que yo sepa, el problema de la implementación del confinamiento en sí sigue siendo difícil.

Hay 3 colores (rojo, verde, azul) y los anticolores asociados. Por ejemplo, los mesones contienen pares de quarks color-anticolor mientras que los bariones contienen 3 colores diferentes que juntos también son incoloros.

Ver más aquí: https://www.wikiwand.com/en/Color_charge

En cuanto a la segunda parte de la pregunta. Básicamente, sí, los nucleones y los mesones son entidades estables con respecto a QCD. Los núcleos están bien descritos como conglomerados de nucleones con pequeñas discrepancias. Al mismo tiempo, los mesones durante mucho tiempo se consideran los portadores de la interacción fuerte, no muy diferente de los fotones en QED.

Sin embargo, esta "estabilidad" solo es posible por debajo de la escala de energía de cruce QCD cuando los hadrones se desconfinan y forman un plasma de quark-qluon. En cierto sentido, se puede considerar una analogía con los átomos que son eléctricamente neutros (pero consisten en partículas cargadas) y se disocian a altas temperaturas.