Почему конфайнмент применяется только к кваркам, а не к нуклонам?

Если вы возьмете электрон и протон, между ними существует сильное электромагнитное взаимодействие, потому что электрон имеет заряд$-e$а протон имеет заряд$+e$. Однако предположим, что вы объединяете электрон и протон в атом водорода. Атом водорода имеет нулевой суммарный заряд, поэтому между двумя атомами водорода нет сильного электромагнитного взаимодействия.

Однако компенсация заряда электрона и протона не является полной, потому что они не занимают точно одну и ту же точку в пространстве. В среднем расстояние между электроном и протоном равно боровскому радиусу. $a_0$, поэтому, если у вас есть два атома водорода, расстояние между электронами может отличаться от расстояния между протонами примерно на$a_0$. В результате между двумя атомами водорода существует относительно слабая сила, называемая лондонской дисперсионной силой .

Суть всего этого в том, что в ядрах происходит нечто подобное. Это сложнее, потому что у кварков есть три типа заряда, но в основном, в то время как сильное взаимодействие действует между двумя кварками, адроны имеют нулевой суммарный цветовой заряд, поэтому между двумя адронами нет сильного взаимодействия.

Однако, как и атом водорода, кварки имеют ненулевое среднее расстояние, и в результате между двумя адронами действует более слабое взаимодействие. Это то, что мы называем сильным ядерным взаимодействием . Это несколько запутанная терминология из-за исторической случайности, но сильное взаимодействие — это сила, действующая между двумя объектами с ненулевым цветовым зарядом, в то время как сильное ядерное взаимодействие действует между двумя адронами с (чистым) нулевым цветовым зарядом. Сильное ядерное взаимодействие является адронным эквивалентом лондонской дисперсионной силы.

И, наконец, сильное ядерное взаимодействие действительно ослабевает с расстоянием, и на самом деле оно очень быстро ослабевает с расстоянием. В то время как сила ЭМ падает как$r^{-2}$сильное ядерное взаимодействие падает как$e^{-ar}$(при некоторой постоянной$a$). Вот почему нейтрон может вылететь из ядра гелия-5.

Это связано с так называемым «цветовым зарядом», который несут частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Хотя сначала было предложено допустить существование таких же кварков внутри барионов (несмотря на принцип запрета Паули), он также используется для описания способности адронов быть свободными от конфайнмента — свободными могут быть только бесцветные частицы (или белые).

Это не полноценное объяснение явления — это скорее модель, хорошо описывающая все многообразие известных адронов на основе их симметрии. Насколько мне известно, проблема реализации самой конфайнмента остается сложной.

Есть 3 цвета (красный, зеленый, синий) и соответствующие антицвета. Например, мезон содержит пары кварков цвет-антицвет, в то время как барионы содержат 3 разных цвета, которые вместе также бесцветны.

Подробнее здесь: https://www.wikiwand.com/en/Color_charge

По второй части вопроса. В основном да, нуклоны и мезоны являются стабильными объектами по отношению к КХД. Ядра хорошо описываются как скопления нуклонов с небольшими расхождениями. В то же время мезоны долгое время считались носителями сильного взаимодействия — мало чем отличаясь от фотонов в КЭД.

Однако эта «стабильность» возможна только ниже шкалы энергий кроссовера КХД, когда адроны освобождаются и образуют кварк-квлюонную плазму. В некотором смысле можно провести аналогию с атомами, которые сами по себе электрически нейтральны (но состоят из заряженных частиц) и диссоциируют при высоких температурах.