О свободных кварках и конфайнменте

Свободный кварк подобен свободному концу резиновой ленты. Если вы хотите сделать концы резинки свободными, вы должны развести их в стороны, однако чем дальше вы их раздвинете, тем больше энергии вам придется приложить. Если вы хотите сделать концы резинки по-настоящему свободными, вы d должны сделать расстояние между ними бесконечным, а это потребует бесконечной энергии. Что на самом деле происходит, так это то, что резинка рвется, и вы получаете четыре конца вместо двух, с которых вы начали.

Точно так же, если вы возьмете два кварка и попытаетесь разъединить их, сила между ними приблизительно не зависит от расстояния, поэтому, чтобы развести их до бесконечности, потребуется бесконечная энергия. На самом деле происходит то, что на некотором расстоянии энергия, хранящаяся в поле между ними, становится достаточно высокой, чтобы создать больше кварков, и вместо двух отдельных кварков вы получаете две пары кварков.

Этого не происходит, когда вы разделяете протон и электрон, потому что сила между ними падает по закону обратных квадратов. Разница между парой электрон/протон и парой кварков заключается в том, что сила между кварками не падает по закону обратных квадратов. Вместо этого на достаточно больших расстояниях она становится примерно постоянной.

Я не думаю, что это полностью понято (конечно, я не полностью понял это :-), но считается, что это связано с тем, что силовые линии в кварк-кварковом поле представляют собой виртуальные глюоны, а глюоны притягиваются друг к другу. Это означает, что силовые линии собираются вместе, образуя магнитную трубку . Напротив, электрон-протонная сила передается виртуальными фотонами, а фотоны не притягиваются друг к другу.

Наконец, топ-кварки обычно образуются в виде пары топ-антитоп. Можно создать один топ-кварк , но он всегда будет в паре с кварком другого типа, поэтому вы не создаете свободный кварк.

Ответ Джона Ренни хорош, всего несколько слов, чтобы добавить «одиночные топ-кварки». Ментальный образ резиновых лент отлично работает при низких энергиях. Возможно, вы слышали о мезонах или барионах или просто о частицах, таких как пион. Это «связанные состояния кварков», то есть то, что происходит, когда вы разрываете резинку и создаете новую пару кварков. Тогда кварк + антикварк вместе образуют пару.

На ускорителях вы можете выйти за рамки этого описания: энергии столкновения на современных ускорителях, таких как БАК, (примерно) в 100-1000 раз выше, чем энергия, которая связывает кварки вместе. Так что посреди столкновения можно забыть о резинках и представить, что кварки ведут себя точно так же, как одиночные электроны. Но затем кварки теряют энергию (например, из-за излучения), так что они неизбежно перейдут в фазу, в которой они образуют связанные состояния, и вы вернетесь к описанию резиновой ленты. Этот процесс называется адронизацией.

Наконец, несколько слов о «удержании цвета» (термин, который люди используют, чтобы объяснить, почему свободных кварков не существует). Каждый кварк или глюон имеет «цветовой заряд» (это просто квантовое число). Чтобы получить нейтральный по цвету объект, вам нужно как минимум два кварка в связанном состоянии, но можно и больше. (Это просто$SU(3)$теория групп.) Итак, если вы предполагаете , что все физические (асимптотические) состояния не должны иметь суммарного цветового заряда, тогда вы можете объяснить, почему свободных кварков не существует. Но даже если эта гипотеза верна экспериментально, для нее нет математического обоснования.

Как указывает Дж. Ренни, все это до конца не изучено, и полное математическое описание ограничения свободы стало бы самым большим прорывом в квантовой теории за последние десятилетия.