¿Son los piones o los gluones los que median la fuerza fuerte entre los nucleones?

A partir de mi experiencia reciente enseñando a estudiantes de secundaria, descubrí que se les enseña que la fuerza fuerte entre los nucleones está mediada por el intercambio de piones virtuales, mientras que entre los quarks son los gluones. Sin embargo, no se les enseña nada sobre el color o el confinamiento de los quarks.

En un nivel más sofisticado de física, ¿es solo que las matemáticas funcionan igualmente bien para cualquier tipo de bosón, o es uno (tipo de bosón) de hecho más correcto que el otro?

Vea la respuesta de Lubos en physics.stackexchange.com/q/9661 . El tipo correcto es el gluón.
@anna Hice esta pregunta después de haber leído la respuesta de @Lubosh. No siento que responda a mi pregunta y, de cualquier manera, esperaba una respuesta un poco más amplia. Cuando tenga la oportunidad, agregaré una edición, que contiene algo de LaTex, que debería describir mejor por qué publiqué esta consulta.
Lubos dio una respuesta completa, pero se podría agregar que las fuerzas nucleares están en analogía con las fuerzas electromagnéticas entre moléculas, las fuerzas de Van der Waals. Allí el mediador es el fotón, pero son los momentos de las distribuciones de carga los que controlan las fuerzas que se ejercen entre las moléculas. De manera similar, las fuerzas nucleares fuertes son un desbordamiento, excepto que, en contraste con el fotón, el gluón lleva color y se acopla a sí mismo, por lo que es mucho más complicado.
Sí. Dependiendo de la escala de energía y distancia de que se trate.
@annav Me parece que la respuesta de lubos solo habla de fuerzas dentro de nicleons, no entre ellos.
@Spencer Describe la historia del descubrimiento de que la fuerza nuclear, es decir, entre nucleones, se puede explicar con el intercambio modelo yukawa de un pión. Luego continúa diciendo que ahora sabemos que la interacción nuclear fuerte efectiva es un efecto indirecto de la existencia dentro de protones y neutrones de la interacción fundamental de la cromodinámica cuántica. Las fuerzas de desbordamiento QCD entre nucleones son análogas a las fuerzas electromagnéticas de van der waals entre átomos.
@spencer Si te refieres a la respuesta que vinculo en mi comentario anterior, lo deja claro en su respuesta actual aquí, de la que estoy hablando en mi respuesta reciente.

Respuestas (4)

Estimado qftme, Estoy de acuerdo en que su pregunta merece una respuesta más amplia. La respuesta, "piones" o "gluones", depende de la precisión con la que quieras describir la fuerza fuerte.

Históricamente, la gente no conocía los quarks y los gluones en la década de 1930, cuando comenzaron a estudiar las fuerzas en los núcleos por primera vez.

En 1935, Hideki Yukawa hizo la contribución temprana más importante de la ciencia japonesa a la física cuando propuso que puede haber fuerzas de corto alcance análogas al electromagnetismo de largo alcance cuyo potencial es

V ( r ) = k mi − m r r
La transformada de Fourier de este potencial es simplemente 1 / ( pags 2 + m 2 ) que es natural - un propagador invertido de una partícula sin masa. (La exponencial se sumó relativamente al potencial de Coulomb; y en la transformada de Fourier, es equivalente a la suma de m 2 en el denominador.) La partícula Yukawa (un bosón sin espín) estaba mediando una fuerza entre partículas que solo era significativamente distinta de cero para distancias lo suficientemente cortas. La descripción concordaba con la aplicación a protones, neutrones y las fuerzas entre ellos.

Así que se pensó que el mediador de la fuerza fuerte era un pion y el modelo funcionó bastante bien. (En la década de 1930, la gente también confundía muones y piones en los rayos cósmicos, usando nombres que suenan extraños para los oídos de los físicos contemporáneos, como mesotrón, un híbrido de pión y muón, pero esa es otra historia).

El modelo pion era viable incluso cuando las interacciones nucleares se entendían mucho más cuantitativamente en la década de 1960. Los piones son "bosones pseudo-Goldstone". Son bosones sin espín (casi) sin masa cuya existencia está garantizada por la existencia de una simetría rota; en este caso, fue el S tu ( 3 ) simetría rotando los tres sabores que actualmente conocemos como sabores de la tu , d , s quarks ligeros. La simetría es aproximada, por lo que los pseudobosones de Goldstone, los piones (y los kaones), no carecen exactamente de masa. Pero siguen siendo significativamente más ligeros que los protones y los neutrones.

Sin embargo, la teoría con los campos piónicos fundamentales no es renormalizable: se reduce a que el Lagrangiano es altamente no lineal y complicado. Inevitablemente, produce predicciones absurdas a distancias lo suficientemente cortas o energías lo suficientemente altas, distancias que son más cortas que el radio del protón.

Se necesitaba una teoría mejor. Finalmente, se encontró en Quantum Chromodynamics que explica todos los protones, neutrones e incluso piones y kaones (y cientos de otros) como estados ligados de quarks (y gluones y antiquarks). En esa teoría, todos los hadrones se describen como partículas compuestas complicadas y todas las fuerzas finalmente se reducen al QCD Lagrangiano donde la fuerza se debe a los gluones.

Entonces, siempre que estudie la física a una energía o resolución lo suficientemente alta como para ver "dentro" de los protones y ver los quarks, obviamente debe usar gluones como mensajeros. Los piones como mensajeros solo son buenos en teorías aproximadas en las que las energías son mucho más pequeñas que la masa del protón. Esta condición también significa que las velocidades de los hadrones tienen que ser mucho más pequeñas que la velocidad de la luz.

Entonces, ¿no debería ser posible derivar el modelo de piones como una aproximación de QCD de baja energía? ¿Conoces algún periódico que haga eso?
Creo que la afirmación de que "el modelo pion es una aproximación de QCD" es moralmente válida pero no en un sentido exacto y sistemático. No hay un límite significativo en el que los piones describan todos los grados de libertad, etc. Por lo tanto, no hay ni puede haber ninguna derivación rigurosa hasta donde puedo decir. Toda esa argumentación tiene que ser incompleta, heurística, etc.
Solo quiero agregar que esto es lo que es la renormalización en principio. La resolución de su modelo depende de cuán alto sea el orden de interacciones que incluya.

¡Estas son algunas buenas respuestas!

Quería agregar que, como saben, la fuerza con la que los quarks se acoplan entre sí (o interactúan entre sí) depende del momento. Entonces, dentro de los nucleones (protones y neutrones), el acoplamiento de quarks es muy fuerte (es por eso que los quarks están confinados en los nucleones).

Debido a que la interacción entre quarks es tan fuerte a estas energías, es imposible tratarla perturbativamente (es decir, en términos de intercambio de gluones). Por eso, en el régimen de los nucleones, hablamos en cambio de intercambio de mesones como intercambio de piones (trabajo de Witten y Weinberg), no de intercambio de gluones.

En resumen: QCD tiene un acoplamiento dependiente del momento. Entonces, a bajas energías, es imposible tratarlo perturbativamente (como quarks intercambiando gluones). Cambiamos nuestra visión para tratarlo como bariones (como nucleones) intercambiando mesones.

los gluones median la fuerza fuerte entre los quarks. Los piones median la fuerza nuclear o la interacción nucleón-nucleón o la fuerza fuerte RESIDUAL. Entonces, la respuesta a tu pregunta es AMBOS. En diferente medida, pero ambas. Ver Wikipedia:

http://en.wikipedia.org/wiki/Fuerza_nuclear

Si te fijas en el modelo estándar solo encontrarás gluones. Esto es muy claro y debe resolver cualquier duda. (Los piones son una reliquia histórica de mediados del siglo XX de la que sólo damos una aproximación.)

Esta respuesta pierde toda la sutileza de la pregunta. La física nuclear todavía se realiza utilizando modelos efectivos que incluyen explícitamente modelos basados ​​​​en el intercambio de mesones. No es una reliquia histórica sino un régimen de interés como cualquier otra teoría efectiva.
Sí, los gluones son solo los mediadores de la fuerza fuerte entre los quarks "dentro" de protones o neutrones. Los piones son en realidad los mediadores entre protones y neutrones. Puede ser que tengan su origen en un gluón, seguro. Pero son los piones los que median la fuerza fuerte.
¿Son los piones o los gluones los que median la fuerza fuerte entre los nucleones?
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