Почему все кварки не сгруппированы в один гигантский адрон?

Как говорит @josephh в другом ответе, стабильные комбинации кварков образуют бесцветные пары или тройки, что означает, что цвета экранируют друг друга, подобно тому, как электрон и протон в атоме водорода имеют противоположные заряды, и поэтому атом в целом нейтральна и не сильно притягивает другие атомы на больших расстояниях.

Другой фактор заключается в том, что сами глюоны несут цветовой заряд и, следовательно, притягиваются друг к другу. Это приводит к тому, что силовые линии «слипаются» в трубки между кварками, а не излучаются наружу, как в электромагнетизме. Это вызывает явление удержания, которое препятствует обнаружению кварков самостоятельно, и является еще одной причиной, по которой цветовая сила не наблюдается на больших расстояниях.

В квантовой хромодинамике , теории, описывающей кварки, существует квантовое число, называемое цветовым зарядом или просто «цветом», и все стабильные адроны должны иметь нейтральный или «белый» цвет.

Все адроны должны иметь этот нулевой общий цветовой заряд из-за удержания цвета или кварка, так что цветовая сила или сильное взаимодействие действует только на коротких расстояниях, но резко увеличивается с расстоянием. Частицы нейтрального цвета, существующие в природе, — это адроны с кварком одного цвета и антикварком соответствующего «антицвета», т. е. мезоны , или три кварка разных цветов, т. е. барионы , так что их чистый цвет — белый. Например, в протоне существует красный кварк, зеленый и синий кварк. В целом цвет протона нейтральный или белый.

В 2013 году ученые из ЦЕРНа с помощью высокоэнергетических столкновений обнаружили существование быстро распадающегося тетракварка, который представляет собой состояние, содержащее четыре кварка. Есть предположения о том, как четыре кварка связаны в этом четырехкварковом состоянии. Многие физики склонны соглашаться с тем, что это два мезона.$\mid q_1\bar q_1 + q_2\bar q_2\rangle$слабо связаны друг с другом. Общий цвет по-прежнему нейтральный. Но опять же, это не стабильные структуры. А также пентакварки , которые также образовались в результате высокоэнергетических столкновений, должны иметь три кварка (например, красный+синий+зеленый = белый) и два других кварка с цветом + антицвет (например, синий + антисиний = белый).

Итак, мы видим, что кварковые силы притягиваются только в бесцветных состояниях. Мы также видим, что кварковые состояния, содержащие более трех кварков, существуют при высоких энергиях, но тем не менее очень быстро распадаются. Кажется, нет причины, по которой мы не могли бы синтезировать частицы, содержащие несколько кварков (при условии, что общее состояние бесцветно), хотя для этого потребовались бы столкновения с высокой энергией. Учитывая, что цветовая сила имеет очень короткий диапазон, сила которого увеличивается с расстоянием, и поскольку средняя плотность энергии во Вселенной далека от энергии, необходимой для более чем трехкварковых связанных состояний, мы естественным образом не видим такие состояния.

Сильное взаимодействие не «только привлекательно». А$qgq$-вершина имеет связанный с ней цветовой фактор, который зависит от цвета кварка и цвета/антицвета глюона. Общий цветовой коэффициент для двухвершинной диаграммы:

Положительный (отрицательный) цветовой фактор притягивает (отталкивает).

Взаимодействия следующие:

Так вот$rr\rightarrow rr$, с двумя возможными глюонными состояниями. Красные кварки взаимодействуют только с красной частью глюона.

Это взаимодействие отталкивает:

Замена цвета привлекательна:

Теперь вам нужно объединить красные, зеленые и синие кварки, а также антикрасные, антизеленые и антисиние кварки. Этот процесс регулируется теорией представлений$SU(3)$, где$(r, g, b)$являются фундаментальным представлением,${\bf 3}$, пока$(\bar r, \bar g, \bar b)$форма${\bf \bar 3}$.

Они сочетаются по:

Графически:

Между тем,$qq$гибрид барион/мезон не работает:

Синглетного сочетания нет.

Сектор Барион выглядит следующим образом:

где красная точка справа представляет цветовую волновую функцию бариона:

На этом этапе вы можете вычислить коэффициент цвета для синглетных и несинглетных состояний. Оно получается привлекательным для синглетов и отталкивающим для других состояний. Тем не менее постулатом является то, что в природе наблюдаются только цветные синглетные состояния.

Поиск более сложных синглетов, таких как пентакварк ($qqqq\bar q$) продолжаются.

(Иллюстрации взяты с https://www.hep.phy.cam.ac.uk/~thomson/lectures/partIIIparticles/Handout8_2009.pdf ).

Начну иначе:

В современной космологической модели существует период, называемый «кварк-глюонной плазмой» . В то время вся Вселенная представляла собой суп из кварков и глюонов, постоянно взаимодействующих с сильным взаимодействием при очень высоких энергиях частиц, потому что вся массовая энергия нынешней Вселенной была сосредоточена в гораздо меньшем пространственно-временном объеме. Эксперименты на LHC пытаются энергетически реконструировать кварк-глюонную плазму, и есть признаки успеха.

Начнем с простой модели электромагнитных взаимодействий, связывающих ядра с атомами. Почему атомы существуют, а электроны не падают на ядра, чтобы нейтрализовать их? Благодаря квантовой механике было установлено и дополнено квантово-механической моделью, что электрон атома водорода существует в определенных энергетических состояниях, порождающих спектр. Одной из причин изобретения квантования в то время были дискретные спектры атомов. Для образования водорода энергии электрона и протона должны быть малы, чтобы электрон перешел в энергетическое состояние. Электроны с большим импульсом, сталкиваясь с протонами, имеют очень маленькую вероятность образования водорода.

Протоны и нейтроны сами по себе являются связанными состояниями кварков и глюонов. Энергии, необходимые для связывания, составляют порядка МэВ. Решетка QCD работает над этими проблемами.

Точно так же ядра стабильны, а не коллапсируют из-за перетекания силы КХД, называемой сильной ядерной силой, потому что связанные состояния существуют в сложной потенциальной среде протонов и нейтронов, силы отталкивания положительного заряда уравновешиваются ядерным притяжением. сила плюс исключение Паули из-за спиновых состояний. Экспериментальный факт состоит в том, что существуют устойчивые связанные состояния. и один заканчивается периодической таблицей элементов , все они являются квантово-механическими связанными состояниями.

Когда энергии становятся большими, ТэВ на LHC, кварки и глюоны могут вести себя как «свободные», как в кварк-глюонной плазме, потому что уже невозможно оставаться связанными в протоны и нейтроны, вероятность очень мала. В кварк-глюонной плазме Вселенной, по мере расширения Вселенной, она охлаждается, и средние энергии частиц становятся порядка МэВ, что позволяет связываться в протоны и нейтроны через 1 микросекунду после Большого Взрыва.

С учетом вышеизложенного в качестве фона ответ на ваш:

Что мешает каждому кварку во Вселенной притягивать все остальные кварки и образовывать одну постоянно растущую массу цветных частиц?

состоит в том, что современные кварки существуют в стабильных связанных состояниях, которые могут быть нарушены только взаимодействием с очень высокой энергией.

У @annav есть хороший ответ, и я хотел бы обратиться к чему-то, что не упоминается в других ответах.

Все дело в балансе сил. Вы просите гигантский объект из кварков? Будет ли достаточно нейтронной звезды или кварковой звезды (теоретически)?

При экстремальных температурах и давлениях внутри нейтронных звезд нейтроны обычно разделены давлением вырождения, стабилизирующим звезду и препятствующим дальнейшему гравитационному коллапсу. Однако предполагается, что при еще более экстремальных температуре и давлении давление вырождения нейтронов преодолевается, и нейтроны вынуждены сливаться и растворяться в составляющих их кварках, создавая сверхплотную фазу кварковой материи на основе плотно упакованных кварки.

https://en.wikipedia.org/wiki/Quark_star

По сути, вы спрашиваете, почему все кварки во Вселенной не собираются вместе и не создают гигантский адрон, так почему же мы видим, что при текущем энергетическом уровне нашей Вселенной тетра- и пентакварки нестабильны?

Чтобы понять почему, нужно учесть несколько моментов:

1. Сила цвета и расстояния

Позвольте задать вам еще один вопрос: «Почему все нуклоны (протоны и нейтроны) не собираются вместе, образуя гигантское ядро?». Ответ очень тонкий и связан с коротким диапазоном цветовой силы (и изоспинами, но я не говорю об этом здесь). По сути, протоны (ЭМ-сила) отталкиваются, но остаточная сильная сила пытается удержать их вместе. По мере того, как ядро ​​увеличивается в размерах, остаточная сильная сила (из-за его малого радиуса действия) не может удерживать протоны вместе, и электромагнитная сила преодолевает ее, и ядро ​​становится нестабильным, если оно слишком велико.

Это правда, что хотя сильное взаимодействие по существу действует только между ближайшими соседями, тогда как кулоновское отталкивание действует между всеми протонами, на самом деле именно слабое взаимодействие препятствует строительству чрезвычайно больших ядер.

Почему более тяжелые ядра нестабильны?

Очень важно понимать, что ядерное взаимодействие (остаточное сильное взаимодействие), которое удерживает вместе нуклоны, и сильное взаимодействие, которое удерживает вместе кварки, имеют общее основное явление — цветовое взаимодействие. Хотя и не полностью аналогично, но вы можете использовать этот пример короткого диапазона цветовой силы для вашего случая, почему кварки не могут создавать стабильные объекты выше определенного размера (или количества кварков).

Что разделяет кварки (сильная сила притягивает, но что отталкивает, чтобы уравнять)

Но есть и другое явление силы цвета, а именно то, что она становится отталкивающей на очень коротких расстояниях. Почему это важно? Поскольку кварки не могут располагаться слишком близко друг к другу, объект, который вы строите из кварков, просто должен увеличиваться в пространстве.

2. Баланс между силами и правило наименьшего энергетического состояния

Но почему вы не можете продолжать добавлять кварки и увеличивать этот объект? Потому что есть другие силы, а именно электромагнитная сила и слабая сила. ЭМ-сила в этом случае сложна, потому что одни кварки притягиваются, другие отталкиваются, но суть этого в том, что по мере роста вашего объекта они сначала слипаются в стабильные нейтроны и протоны (где ЭМ и сильные взаимодействия уравновешиваются), и если вы хотите добавить к этому другие кварки, для этих кварков будет энергетически выгодно просто слипаться отдельно в другие протоны и нейтроны. И слабое взаимодействие может преобразовывать кварки в другие кварки, чтобы всегда быть уверенным, что объект принимает самое низкое возможное энергетическое состояние.

Но почему эти нейтроны и протоны не могут слипнуться в единую кварк-глюонную плазму? Могут, и теоретически можно превратить нейтронную звезду в кварковую, но как? Вам нужна энергия и давление. Вам нужно преодолеть способность сильной силы становиться отталкивающей на коротких дистанциях. И вам нужно достичь энергетического уровня, при котором кваркам уже не выгодно слипаться в отдельные нейтроны. Теоретически есть два примера, где это происходит, один из них — теоретическая кварковая звезда. Или другой пример ранних стадий нашей Вселенной, где была кварк-глюонная плазма.

Ответ на ваш вопрос заключается в том, что при нынешних энергетических уровнях нашей Вселенной кварки любят слипаться в отдельные протоны и нейтроны (а не в гигантские объекты), потому что это состояние самого низкого энергетического уровня (с наибольшим количеством кварков) , и это удовлетворяет балансу между силами, и это совместимо с тем, как цветовая сила меняется с расстоянием, и все вместе эти эффекты приводят к тому, что кваркам энергетически выгодно слипаться в отдельные протоны и нейтроны.