Sobre quarks libres y confinamiento

Un quark libre es como el extremo libre de una goma elástica. Si desea liberar los extremos de una banda elástica, debe separarlos; sin embargo, cuanto más los separe, más energía tendrá que poner. Si desea liberar realmente los extremos de la banda elástica, d tener que hacer que la separación entre ellos sea infinita, y eso requeriría una energía infinita. Lo que realmente sucede es que la banda elástica se rompe y obtienes cuatro extremos en lugar de los dos con los que comenzaste.

De manera similar, si toma dos quarks e intenta separarlos, la fuerza entre ellos es aproximadamente independiente de la distancia, por lo que separarlos hasta el infinito requeriría una energía infinita. Lo que realmente sucede es que, a cierta distancia, la energía almacenada en el campo entre ellos aumenta lo suficiente como para crear más quarks y, en lugar de dos quarks separados, se obtienen dos pares de quarks.

Esto no sucede cuando separas un protón y un electrón porque la fuerza entre ellos cae de acuerdo con la ley del inverso del cuadrado. La diferencia entre el par electrón/protón y un par de quarks es que la fuerza entre los quarks no cae según la ley del inverso del cuadrado. En cambio, a distancias suficientemente largas, se vuelve más o menos constante.

No creo que esto se entienda completamente (ciertamente no lo entiendo completamente :-), pero se cree que se debe a que las líneas de fuerza en el campo quark-quark representan gluones virtuales, y los gluones se atraen entre sí. Esto significa que las líneas de fuerza se juntan para formar un tubo de flujo . Por el contrario, la fuerza electrón-protón se transmite mediante fotones virtuales y los fotones no se atraen entre sí.

Finalmente, los quarks top generalmente se producen como un par anti-top top. Es posible crear un solo quark top , pero siempre se combina con un quark de un tipo diferente, por lo que no está creando un quark libre.

La respuesta de John Rennie es buena, solo unas pocas palabras para agregar sobre 'quarks superiores únicos'. La imagen mental de las gomas funciona bien a bajas energías. Tal vez hayas oído hablar de mesones o bariones, o simplemente partículas como el pión. Estos son 'estados ligados de quarks', es decir, lo que sucede cuando rompes la banda elástica y creas un nuevo par de quarks. Entonces, un quark + un antiquark forman un par juntos.

En los aceleradores, puede ir más allá de esta descripción: las energías de colisión en los aceleradores modernos como el LHC son (aproximadamente) 100-1000 veces más altas que la energía que une a los quarks. Entonces, en medio de una colisión, puede olvidarse de las bandas elásticas e imaginar que los quarks se comportan como electrones individuales. Pero luego los quarks pierden energía (por ejemplo, debido a la radiación), por lo que inevitablemente pasarán a la fase en la que forman estados ligados y volverás a la descripción de la banda elástica. Este proceso se llama hadronización.

Finalmente, una palabra sobre el 'confinamiento de color' (el término que la gente usa para explicar por qué no existen los quarks libres). Cada quark o gluón tiene una 'carga de color' (que es solo un número cuántico). Para obtener un objeto de color neutro, necesita al menos dos quarks en un estado ligado, pero puede tener más. (Esto es simplemente$SU(3)$teoría de grupos). Entonces, si asume que todos los estados físicos (asintóticos) no necesitan tener carga neta de color, entonces puede explicar por qué los quarks libres no existen. Pero aunque esta hipótesis es cierta experimentalmente, no hay ninguna razón matemática para ello.

Como señala J. Rennie, nada de esto se comprende por completo y una descripción matemática completa del confinamiento sería el mayor avance en la teoría cuántica en décadas.