Lo que mantiene separados a los quarks (la fuerza fuerte atrae, pero lo que repele para igualar)

Dado que la fuerza fuerte (mediada por gluones) une a los quarks, ¿qué mantiene a los quarks separados unos de otros, es decir, por qué los quarks no se acercan y se aplastan entre sí? Solo veo la fuerza fuerte tirando, pero ¿cuál es la otra fuerza, que repele aquí y se iguala?

Para empezar, los quarks, a diferencia de los protones y los neutrones, no son compuestos, son partículas elementales en el modelo estándar de física de partículas que describe los datos hasta ahora.

Aquí hay una ilustración que describe lo que sucede dentro del protón compuesto:

Los quarks, los antiquarks y los gluones bailan y se aniquilan y se emparejan sin parar, por lo que se "superponen" en los diagramas de feynman de las interacciones individuales y se aniquilan. Los tres quarks de valencia se pierden en la sopa, y en cualquier caso es una cuestión de conservación de los números cuánticos, debería haber un exceso de uno abajo y dos arriba para el protón.

Por lo tanto, no se trata de repeler, es solo que, en general, los quarks arriba y abajo deben sumar los quarks de valencia de un protón, y lo mismo ocurre con el exceso de neutrón dos abajo uno arriba en la sopa.

Entiendo que en el caso de dos protones, dos fuerzas se igualan, la fuerza eléctrica se repele y la fuerza nuclear atrae. Es por eso que dos protones son estables en un núcleo y no se alejan volando y tampoco se aplastan entre sí. En el caso de un neutrón, no hay fuerza eléctrica para repeler, pero todavía hay fuerza nuclear para tirar, por lo que un neutrón se junta con otro neutrón o protón, pero ¿qué evita que el neutrón se aplaste con otro neutrón o protón?

Un neutrón, así como un protón, es un estado ligado de QCD. Tan unido como un átomo de hidrógeno. Por la misma razón que si golpeas dos átomos de hidrógeno entre sí a bajas energías, siguen siendo átomos de hidrógeno, si golpean dos neutrones a baja energía entre sí, siguen siendo neutrones, un estado límite específico (complicado) de los quarks. A alta energía, crearán una gran cantidad de pares de quarks y antiquarks, los mismos resultados que se observan en las dispersiones de protones y protones del LHC, aunque la conservación del número bariónico se mantiene en todas las interacciones de partículas elementales.

En conclusión, no se trata de empujar y repeler, sino de números cuánticos conservados y/o estados ligados.

En la red QCD asumen un potencial y allí pueden resolver aproximadamente para encontrar masas para piones y kaones, dentro de los límites del modelo.

1. La fuerza fuerte atrae a los quarks, pero también se debilita a medida que los quarks se acercan (es decir, actúa como un resorte), en un fenómeno conocido como "libertad asintótica". De esta manera, la fuerza fuerte es muy diferente al electromagnetismo, donde la fuerza se vuelve más fuerte si las cargas están más juntas. Como tal, no hay razón para esperar que los quarks que se colocan juntos se aniquilen de inmediato, ya que, en primer lugar, no hay mucha fuerza sobre ellos.

2. La fuerza que mantiene unidos a los nucleones se describe mediante el potencial nucleón-nucleón (NN), que se ve así (el eje horizontal es$r$, el eje vertical es$V$):

El potencial NN es una interacción residual resultante de reacciones de muy largo alcance entre quarks en nucleones adyacentes. Dado que la reacción es de largo alcance, la carga de color (y, por lo tanto, los gluones) no se puede intercambiar. Como tal, los mediadores de esta fuerza son de color neutro y consisten en los mesones más ligeros (como$\pi$,$\rho$, y$\sigma$). Debido a esto, la naturaleza de esta interacción residual es completamente diferente de la interacción fuerte a nivel de quarks. En particular, tenga en cuenta la fuerte repulsión que ocurre a distancias inferiores a 1 fm (es decir, el diámetro de un nucleón). Esta repulsión, mediada por vector-mesón ($\rho$) intercambio, es lo que mantiene separados a los protones y los neutrones.

Solo veo la fuerza fuerte tirando, pero ¿cuál es la otra fuerza, que repele aquí y se iguala?

Debe comprender que la física se basa en una gran cantidad de suposiciones, y el conjunto acumulativo de suposiciones coincide con la realidad experimental, al menos en un sentido estadístico.

Se supone que la fuerza eléctrica actúa de la misma manera en todos los tamaños. Esto se debe a que la fuerza eléctrica se inventó antes de que supiéramos algo sobre los átomos. Se había inventado el cálculo, y al aplicarlo a la fuerza eléctrica automáticamente se supuso que todo funciona de la misma manera en puntos individuales.

Cuando se inventó el núcleo atómico en respuesta a la evidencia experimental, se asumió que el núcleo era una bola de protones y neutrones. Debido a que los protones y los neutrones se encontraron fuera de los núcleos, era natural suponer que de eso estaban hechos los núcleos.

Pero se supuso que los protones eran pequeñas bolas de carga que fuerzan lo mismo en todas las direcciones en todo momento. Esa es la suposición más simple. ¿Por qué los núcleos no volaron aparte de la repulsión? Asumieron que había una gran fuerza para mantenerlos unidos.

¿Por qué los núcleos no colapsaron en puntos? Asumieron que había una fuerza para separarlos, que actuaba solo a distancias cortas. (Asumieron que no solo actuaba a distancias cortas, sino que se debilitaba rápidamente a distancias más largas. Esto significaría que la ley del inverso del cuadrado no se aplicaba del todo cerca de los núcleos atómicos, porque la fuerza repulsiva estaría repeliendo débilmente allí. Era una suposición que tal vez podría ser probada.)

¿Por qué no dar a la fuerza repulsiva un nombre diferente al de la fuerza fuerte que evita que los núcleos exploten? ¿Por qué tener una segunda fuerza complicada en lugar de dos fuerzas más simples? Accidente histórico. Inventaron algo para resolver dos preguntas que tenían después de asumir que la fuerza eléctrica actúa de la misma manera sobre los protones en un núcleo que sobre bolas de médula de 1 cm, y eligieron pensar en una fuerza hipotética para resolver dos problemas.

Las suposiciones son un poco arbitrarias, pero juntándolas todas se ajustan a la evidencia experimental en promedio, en un sentido estadístico.