Si los quarks libres no pueden existir, ¿cómo se formó el universo?

Según tengo entendido, el Big Bang comenzó con un gas fotónico que luego creó las otras partículas. Por lo tanto, obviamente habría algunos quarks libres en el Universo primitivo a menos que los quarks siempre se crearan en pares por alguna razón. ¿Cómo resuelve esto la física?

No era exactamente un gas fotónico. Necesitamos una teoría de la gravedad cuántica que funcione para hablar sobre la fase más temprana del Big Bang. Después de la época de Planck, hubo (probablemente) una gran época de unificación donde el electromagnetismo se unió con las fuerzas nucleares débil y fuerte. IOW, la densidad de energía era tan alta que los fotones, los bosones Z & W y los gluones no existían. En cambio, había bosones X e Y que acoplaban quarks a leptones.
Ver también Cronología de la formación del Universo . Tenga en cuenta que estos artículos de Wikipedia son solo resúmenes simplificados de las teorías actuales y pueden contener inexactitudes menores.

Respuestas (3)

En las primeras etapas del Universo, los Quarks y los Gluones eran asintóticamente libres. Este estado de la materia se denomina plasma de quarks-gluones. Luego, a medida que la temperatura del Universo seguía disminuyendo, tuvo lugar la llamada hadronización (los quarks se combinan para formar hadrones).

La constante de acoplamiento del QCD (que, para simplificar, representa una especie de intensidad de la interacción fuerte entre los quarks) es un acoplamiento de funcionamiento : significa que no es realmente una constante, pero varía con la escala de energía. Como se puede ver en la imagen de abajo, el α q C D disminuye con un gran impulso transferido. Esto significa que el quark tiende a comportarse CASI como partículas libres cuando las energías son realmente altas. También puede verlos como un gas de fermiones (quarks) y bosones (gluones).

En estas condiciones ( α ≪ 1 ), es posible un enfoque perturbativo: usamos pQCD (QCD perturbativo).

ingrese la descripción de la imagen aquí

El plasma de quarks-gluones se puede obtener hoy en día mediante colisiones de núcleos pesados ​​a altas energías. Esto se logra en el CERN, por ejemplo, mediante el experimento ALICE, por medio de colisiones Pb-Pb en 5.02 TeV.

Si bien todo en esta respuesta es correcto , en realidad no da la razón correcta de por qué los quarks pueden ser libres con altas energías pero no con bajas energías. Una constante de acoplamiento grande no prohíbe, inherentemente, la existencia de quarks libres no ligados. La verdadera razón es que QCD muestra una transición de fase entre una fase de confinamiento y desconfinamiento, y el confinamiento no es una simple consecuencia de un gran acoplamiento . La ley de la fuerza lineal en la fase de confinamiento no se puede derivar simplemente girando el acoplamiento.
Lo que dices es correcto. De hecho, mantuve mi respuesta dentro de los límites de pQCD y libertad asintótica. No entré en el ámbito del encierro. En primer lugar porque, corrígeme si me equivoco, aún no existe una explicación teórica adecuada. En segundo lugar, porque tengo algunos problemas abiertos en QCD no perturbativo.
¿Hay alguna razón fundamental por la que los quarks libres no puedan existir a baja energía además de "esa es la única forma de hacer que la física funcione"?
Que yo sepa, todavía no hay una explicación teórica adecuada. Ya sabes, muchas veces solo ves que suceden cosas en los experimentos y luego construyes tu teoría. El confinamiento es un hecho experimental, no totalmente explicado por la teoría. Supongo que la respuesta de ACuriousMind es buena para empezar si quieres saber más sobre teorías sobre el confinamiento.

"Los quarks libres no pueden existir" es simplemente una simplificación excesiva de la situación real en la cromodinámica cuántica (QCD). Una mejor declaración es "los quarks libres no pueden existir a bajas energías" , donde "baja energía" significa por debajo de la escala de desconfinamiento .

El confinamiento es precisamente el fenómeno que dice que la fuerza entre dos quarks aumenta linealmente con la distancia, lo que significa que nunca puedes separar dos quarks, ya que hacerlo requeriría una energía infinita. Ahora, desafortunadamente no tenemos una comprensión teórica completa del confinamiento en QCD continuo, pero lo que sí sabemos, tanto por argumentos heurísticos como por cálculos de celosía, es que QCD exhibe una transición de fase entre una fase de confinamiento y una fase de desconfinamiento a medida que la energía aumenta la escala.

Esto no se debe al acoplamiento en ejecución como tal, sino al valor esperado del parámetro de orden de esta transición de fase, el bucle de Polyakov, una variante del bucle de Wilson , que se vuelve distinto de cero. Siempre que el ciclo de Polyakov sea cero, la energía libre de un sistema de dos quarks es infinita, lo que significa que no se pueden separar. De hecho, los cálculos de celosía muestran que la transición de fase a un bucle Polyakov distinto de cero ocurre a medida que aumenta la escala de energía, por lo que en el universo caliente primitivo, los quarks libres podrían existir sin contradicción con nuestra situación actual.

La simetría que rompe el bucle de Polyakov es la llamada "simetría central" de la teoría de calibre en la red, consulte esta pregunta .

Entonces, ¿el hecho de que no estemos convertidos en queso suizo por los quarks libres itinerantes es solo suerte?
@DapperLad ¿Dónde di la impresión de que era "solo suerte" y en qué se diferencia una circunstancia de la naturaleza que es "solo suerte" de otra que no lo es?
Porque no dijiste cómo los quarks libres se volvieron no libres.

Este artículo en wikipedia aclara cómo ha evolucionado el universo en lo que respecta a nuestra comprensión actual de la física de partículas y la relatividad general.

En particular para las interacciones fuertes, la teoría actual es QCD, que modela los quarks y sus interacciones con otras partículas.

QCD disfruta de dos peculiares propiedades:

Confinamiento, lo que significa que la fuerza entre los quarks no disminuye a medida que se separan. Debido a esto, cuando separas un quark de otros quarks, la energía en el campo de gluones es suficiente para crear otro par de quarks; por lo tanto, están unidos para siempre en hadrones como el protón y el neutrón o el pión y el kaón. Aunque no se ha probado analíticamente, se cree ampliamente que el confinamiento es cierto porque explica el fracaso constante de las búsquedas de quarks libres, y es fácil de demostrar en QCD de celosía.

Libertad asintótica, lo que significa que en reacciones de muy alta energía, los quarks y los gluones interactúan muy débilmente creando un plasma de quarks-gluones.

El modelo actual del universo comienza con enormes energías y, a medida que se expande, los constituyentes individuales se enfrían primero en una etapa en la que todas las fuerzas se unifican con todas las partículas de masa cero en un plasma de quarks y gluones.

A medida que continúa el enfriamiento, aparecen los hadrones ligados.

El plasma de gluones de quarks se estudia experimentalmente en los experimentos del LHC.

Así que todos los modelos de la física de partículas se utilizan para el modelo Big Bang del universo, y la creación de quarks ligados se desarrolla dentro de un modelo estándar extendido.

Si lee el artículo, verá que gran parte del modelo aún se encuentra en la etapa de investigación experimental.

Estimada Anna V, leí el artículo de wikipedia, pero no habla de cómo se formaron los quarks. Primero, si entiendo correctamente, había un mar de fotones. Pero, ¿cómo se formaron los quarks? Los quarks son partículas puntuales, por lo que no sabemos en qué consisten, entonces, ¿hay alguna teoría sobre cómo se formaron, tal vez a partir de fotones?
@ÁrpádSzendrei Ver también esto en.wikipedia.org/wiki/Big_Bang#Inflation_and_baryogenesis . Se supone que el plasma de gluones de quarks existe en esas primeras etapas. Todas las partículas en la tabla del modelo estándar están en la sopa, en.wikipedia.org/wiki/Standard_Model y sus antipartículas, es una hipótesis de trabajo. Llegan a existir porque la energía está disponible para que lo hagan. En la hipótesis se formarían a partir de la creación de pares, quark antiquark, a partir de la energía disponible. Mucho es especulación sobre los campos disponibles en ese momento en el modelo.
Se acepta la tabla de partículas como axiomática, en el modelo estándar, es decir, dada por medidas.
Gracias, entonces dices que se formaron por creación de pares, a partir de la energía disponible. Pero, ¿es esa energía el mar de fotones, o es esa energía de los campos cuánticos?
los fotones llegan más tarde que la energía primordial del tiempo de inflación, llaman a la partícula hipotética inflatón, que lleva toda la energía antes que el quark-gluón-electrón -fotón-... plasma.
Si los quarks libres no pueden existir, ¿cómo se formó el universo?
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