Куда деваются масса и объем двух кварков, когда они создают мезон?

Кварк и антикварк — фермионные частицы с массой. Куда девается эта упомянутая масса, когда они связываются, чтобы создать мезон?

Масса кварков дает вклад в массу мезона. Однако обычно это небольшой вклад. Масса мезона обычно намного больше суммы масс составляющих его кварков; оставшаяся масса исходит от энергии сильного взаимодействия между кварками.

Если в игре присутствует аннигиляция, то откуда вообще могут быть мезоны?

Аннигиляция существует, но она не должна происходить немедленно. Например, связанное состояние электрона и позитрона, называемое позитронием , может существовать некоторое время до того, как электрон и позитрон аннигилируют. То же самое верно для кварков и антикварков.

И, наконец, как именно «работает» объем в мезоне, бозонной частице, состоящей из стандартных фермионных частиц? Мезоны по определению не должны подчиняться запрету Паули. Что тогда происходит с объемом кварков?

Кварки — это точечные частицы, поэтому у них нет объема. Составные бозоны, состоящие из фермионов, распространены и в других областях физики (например, конденсаты Бозе-Эйнштейна работают аналогичным образом), поэтому в мезонах в этом отношении нет ничего особенного.

Когда кварк и антикварк связываются в мезон, они не теряют своей массы. Их масса вносит вклад в массу мезона, наряду с их кинетической энергией и их потенциальной энергией. Существует потенциальная энергия, связанная с сильным ядерным взаимодействием между ними, а также потенциальная энергия, связанная с электромагнитным взаимодействием между ними.

Такие мезоны распадаются через короткое время, потому что кварк и антикварк аннигилируют, а их энергия образует другие частицы.

Насколько мы можем судить, кварки являются точечными частицами и не имеют объема. Но мезон, являющийся их связанным состоянием, имеет размер по той же причине, что и атом водорода.

Другие ответы касаются массы, но ни один из них на самом деле не дает вам реальной причины для объема, поэтому я рассмотрю это подробно.

Кварки и антикварки — это элементарные частицы, точечные, без пространственного расширения или субструктуры согласно СМ.

Мезоны — это адронные субатомные частицы, состоящие из пары кварков и антикварков, связанных сильным взаимодействием.

Поскольку мезоны состоят из кварковых субчастиц, они имеют физический размер [требуется дальнейшее объяснение], в частности диаметр примерно в один фемтометр, 1 что примерно в 1,2 раза больше размера протона или нейтрона.

https://en.wikipedia.org/wiki/Мезон

Теперь вы спрашиваете, поскольку PEP неприменим к бозонам, почему составной мезон имеет объем?

Теперь кварки — это фермионы, и они подчиняются PEP. Но это не так просто. PEP предназначен только для идентичных фермионов. Кварк и антикварк не могут сблизиться (точнее, почему они не могут занимать одно и то же КМ-состояние) из-за ПЭП говорить не корректно (поскольку они не тождественны). Есть и другие причины, и одна из них заключается в том, что на очень коротких расстояниях существует явление асимптотической свободы, из-за которого сила связи становится менее важной.

На самом деле в супе есть еще две функции, которые могут ответить на вопрос ОП. Во-первых, поскольку два кварка слишком сближаются, асимптотическая свобода делает их глюонное взаимодействие по существу незначительным — они освобождаются друг от друга. А если они одного вида, то исключают друг друга по принципу Паули; если не какой-то тип антисимметризации, также может быть обеспечен обобщенной версией этого принципа.

https://физика.stackexchange.com/a/396041/132371

Другая причина состоит в том, что составной мезон (или что-либо составное, состоящее из кварков) имеет объем, заключается в том, что у вас ложное представление о том, как кварки составляют мезоны. Вы верите, что мезоны — это просто кварк и антикварк. На самом деле это называется морем кварков, антикварков и глюонов, которое создает мезон, и только если вы сделаете чистую картину мезона (учитывая законы сохранения и аннигиляцию), то вы найдете кварк и оставшийся антикварк. .

Кварки, антикварки и глюоны танцуют вокруг, аннигилируют и создают пары без остановки, поэтому они «перекрываются» на фейнмановских диаграммах индивидуальных взаимодействий и аннигилируют. Три валентных кварка теряются в супе, и в любом случае это вопрос сохранения квантовых чисел, для протона должен быть избыток одного нижнего и двух верхних. Таким образом, дело не в отталкивании, а в том, что общая кварковость вверх и вниз должна составлять в сумме валентные кварки протона, и то же самое верно для избытка нейтрона на два вниз и один вверх в бульоне.

https://физика.stackexchange.com/a/396041/132371

Чтобы почувствовать, как сильные взаимодействия связывают адроны, посмотрите на эту иллюстрацию протона, который находится в связанном состоянии с тремя кварками, называемыми валентностью, считая квантовые числа.

Нечто подобное можно было бы нарисовать и для пиона.

Поскольку сильные взаимодействия сильны , а константа связи равна 1 , можно предположить, что в адроне существует бесчисленное количество глюонов и антикварковых пар кварков, которые постоянно создаются глюонами и аннигилируют в глюоны. Сумма квантовых чисел составляет квантовые числа валентных кварков, которые характеризуют адрон.

К счастью, мы находимся в режиме специальной теории относительности, а это означает, что четыре вектора всей этой неразберихи складываются в четыре вектора, инвариантная масса которого — это масса адрона, намного превышающая массу валентных кварков. Валентные кварки имеют энергию менее 5 Мэв, а пионы - более 100. В любом случае массы внутри адронной сумки находятся за пределами массовой оболочки, важна сумма четырех векторных масс.

Все вышеизложенное является качественным, поскольку с обычными диаграммами Фейнмана для сильных взаимодействий нельзя провести никаких расчетов. Новые инструменты были найдены и находятся в поиске. КХД на решетке довольно успешно вычисляет спектры масс адронов, и исследования продолжаются.

Что касается принципа запрета Паули, то в этой каше столько энергетических уровней, что нет никакой сложности, чтобы все эти фермионы существовали на одном из них, опять же говоря качественно, так как их вычислить не представляется возможным.