¿Por qué son necesarios los gluones y la fuerza fuerte para mantener juntos al protón?

Esto es algo que me desconcertó por un tiempo. Digamos que tienes un protón con quarks uud, con los quarks u teniendo +2/3 de carga y el quark d -1/3. ¿No encaja esto bastante bien para mantener los quarks confinados dentro del protón, en términos de las fuerzas electrostáticas entre los tres quarks? ¿En qué momento y por qué razón se hizo necesario invocar gluones para proporcionar la "carga de color" adicional para asegurar el confinamiento de los quarks? ¿Por qué la fuerza electrostática ordinaria no es suficiente?

"¿No encaja esto perfectamente para mantener los quarks confinados dentro del protón?" - Si bien puedo entender su razonamiento para un neutrón ya que es neutral, no lo veo para un protón. En otra nota, se requiere color para arreglar las estadísticas si no me equivoco.
Incluso si la interacción electrostática pudiera mantener juntos a los protones individuales (que no puede), todavía necesitaría la fuerza fuerte para mantener juntos todos los protones que se repelen entre sí en un núcleo .
Estaba pensando más en la línea de que las cargas de los quarks individuales y las direcciones a lo largo de las cuales actúan esas cargas fraccionarias pueden ser suficientes para explicar la fuerza fuerte residual. En cuanto a la fuerza fuerte fundamental, realmente no veo por qué los quarks con carga fraccionaria no son suficientes para mantener unidos a los hadrones. ¿Quizá lo haces?

Respuestas (2)

El principio de incertidumbre nos dice que cuanto más se confina un objeto, mayor es la incertidumbre en su energía. Por ejemplo, puede usar esto en forma de movimiento de la mano para calcular el tamaño de un átomo de hidrógeno a partir de su energía de estado fundamental o viceversa.

Y cuando hacemos esto encontramos que la fuerza electrostática simplemente no es lo suficientemente fuerte como para confinar los quarks dentro de un núcleo. Si tuviéramos tres quarks interactuando solo por la fuerza electrostática, obtendríamos un objeto aproximadamente del mismo tamaño que un átomo. La única forma de obtener un estado ligado tan pequeño como un núcleo es tener una fuerza mucho más fuerte que une a los quarks. Esa fuerza mucho más fuerte es, por supuesto, la fuerza fuerte.

Hay otro problema relacionado con la necesidad de carga de color y los campos de indicador asociados.

Citaré de la sección 9.1 Los grados de libertad de color de " Teorías de calibre en física de partículas ":

Para un barión hecho de tres quarks spin-1/2, la función de onda del modelo de quark no relativista original tomó la forma

ψ 3 q = ψ s pag a C mi ψ s pag i norte ψ F yo a v o tu r ( 9.1 )

Pronto se comprendió (por ejemplo, Dalitz 1965) que el producto de estas funciones de onda de espacio, espín y sabor para los bariones del estado fundamental era simétrico bajo el intercambio de dos quarks cualesquiera.

...

Pero vimos en § 4.5 que la teoría cuántica de campos requiere que los fermiones obedezcan el principio de exclusión, es decir, la función de onda ψ 3 q debe ser antisimétrica con respecto al intercambio de quarks. Una forma simple de implementar este requisito es suponer que los quarks tienen un grado adicional de libertad, llamado color, con respecto al cual la función de onda 3q puede ser antisimetrizada, como sigue.

...

Con la adición de este grado de libertad, ciertamente podemos formar una función de onda de tres quarks que es de color antisimétrico usando el símbolo antisimétrico ε α β γ , a saber

ψ 3 q , C o yo o tu r = ε α β γ ψ α ψ β ψ γ

y esto debe multiplicarse por (9.1) para dar la función de onda 3q completa.

Buen punto, explica la necesidad del color SU(3) para la simetría de calibre.
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