Não há quarks livres
Outras partículas – elétrons, neutrinos, fótons e muito mais – podem existir por conta própria. Mas os quarks nunca o farão. Aqui está o porquê.
Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons malhas sob C.C.-1.0.
Na física, você não precisa sair por aí criando problemas para si mesmo – a natureza faz isso por você. – Frank Wilczek
No início desta semana, o Prêmio Nobel de Física de 2014 foi concedido pelos desenvolvimentos que levaram à invenção do LED azul. Mas dez anos antes, em 2004, foi para um trio de físicos que explicou a força mais bizarra que já conhecemos: a força forte. Claro, ele mantém prótons e nêutrons individuais juntos, permite que os núcleos se unam, explica a fusão e a fissão, e é responsável por mais de metade das partículas e interações no Modelo Padrão.
Crédito da imagem: Harrison Prosper na Florida State University.
Mas é também o mais estranho força que já encontramos. Deixe-me explicar, e vamos começar com o que você considera a força mais simples de todas: a gravidade.
É bem direto, não é? Tudo no Universo tem uma certa quantidade de massa ou energia (ou ambas) como propriedade de si mesmo, e também exerce uma força sobre tudo o que tem massa ou energia. Quer você pense nisso como Newton pensou ou como Einstein pensou, o mesmo quadro geral se mantém.
Crédito das imagens: http://www.mass-gravity.com/ (EU); Aula de Física via http://www.physicsclassroom.com/class/circles/Lesson-3/Newton-s-Law-of-Universal-Gravitation (R).
Em vez de pensar em massa ou energia, podemos pensar em ambos combinados (via E = mc^2, se quisermos) como um carga gravitacional . Há apenas um tipo de carga – uma positiva – e há apenas um tipo de força: uma atrativa. Todos os corpos gravitacionalmente carregados (qualquer coisa com massa, por exemplo) atraem todos os outros corpos gravitacionalmente carregados, e a força aumenta se qualquer a carga aumenta ou os objetos se aproximam. No caso particular da gravidade, um objeto com o dobro da massa experimenta o dobro da força, e um objeto que está apenas a metade da distância experimenta quadruplicar a força. (Ignorando os efeitos relativísticos.) Se você pegar seus objetos gravitacionalmente carregados e movê-los arbitrariamente para longe, a força entre eles cai para zero. Esta última parte é incrivelmente importante , e você deve se lembrar (então vou dizer novamente em uma fonte maior):
À medida que a distância entre dois objetos gravitacionais fica cada vez maior, a força gravitacional cai para zero.
Então essa é a gravidade: arbitrariamente fraca em grandes distâncias, onde tudo (que está fora do horizonte de eventos de um buraco negro) pode se tornar livre com energia suficiente.
Crédito da imagem: A falha do navegador http://hortenseardalan.com/blackholes.html .
Quando chegamos ao eletromagnetismo, essa força de repente é um pouco mais complicada. Claro, é como a gravidade de certa forma: pegue uma carga positiva e uma negativa e elas se atrairão da mesma maneira que duas massas. Eles farão quase da mesma maneira: dobre a carga em um e a força entre eles dobra, reduza pela metade a distância entre eles e a força quadrigêmeos .
Mas há dois diferentes tipos de cargas aqui: positivas e negativas.
Crédito da imagem: http://Maxwells-Equations.com/ , direitos autorais 2012.
As cargas semelhantes (positivo-positivo e negativo-negativo) se repelem enquanto as cargas opostas (positivo-negativo e negativo-positivo) se atraem. Esta é uma diferença muito grande, porque agora as coisas podem realmente ser separadas, não apenas juntas. Mas a forma da lei da força – o fato de que a força é maior em distâncias menores – ainda é a mesma da gravitação. Temos dois tipos de carga (positiva e negativa), mas a força ainda cai para zero em grandes distâncias .
Essas duas forças – gravitação e eletromagnetismo – são os dois tipos mais comuns de forças e, portanto, as duas forças que estão de acordo com nossa intuição. Mas então chegamos à força forte, e tudo muda.
Crédito da imagem: Winston Roberts 2006, via http://www.physics.fsu.edu/users/roberts/roberts_color_qcd.html .
Em primeiro lugar, não há mais um tipo de cobrança, nem mesmo dois, mas três . Em vez de massa (carga gravitacional), que é sempre positiva e sempre atrativa, ou cargas elétricas, que podem ser positivas ou negativas e atrativas ou repulsivas, dependendo de sua combinação, todos os quarks vêm com um dos três tipos de carga ligados a eles: vermelho, verde ou azul.
Em segundo lugar, estas não são propriedades fixas dos quarks! Se você me der uma partícula (por exemplo, um elétron) com massa, essa massa é uma propriedade intrínseco a essa partícula. Se você me der uma partícula com carga elétrica (digamos, um elétron novamente), essa carga elétrica é uma propriedade da própria partícula: ela não muda. Mas se eu lhe desse um quark - digamos, um quark up vermelho - ele permaneceria um quark up com uma carga de +(2/3)e, e com uma massa intrínseca de cerca de 2,3 MeV/c^2, mas aquele red propriedade que tinha é transitória! Quando você olha para ele uma fração de segundo depois, pode ser azul ou verde, dependendo de quais interações ele sofreu!
E terceiro, a força forte é sempre atrativa, mas não da mesma forma que a gravitação ou o eletromagnetismo se comportam. Isso é um pouco mais sutil, então voltaremos a este.
Vamos começar mostrando como a cor funciona dentro, digamos, de um único nêutron.
Crédito da imagem: usuário Qashqaiilove da Wikipédia / Wikimedia Commons.
Com um quark up e dois quarks down, você pode pensar que há uma enorme quantidade de combinações de cores diferentes que podem estar presentes aqui. Para seus três quarks, talvez você tenha dois vermelhos e um azul, dois azuis e um verde, ou talvez três verdes? Mas você não: a qualquer momento, você sempre tem um vermelho, um verde e um azul. As cores individuais podem mudar ou permanecer as mesmas através da troca de glúons, e há oito glúons no total que têm uma combinação de cor-anticolor. Isso já é estranho! Na gravitação, tínhamos apenas um tipo de carga: positiva e atrativa. No eletromagnetismo, tínhamos dois tipos: positivo e negativo (onde negativo é anti-positivo), que podem ser atraentes ou repulsivos em combinações. Mas agora para cores, temos três tipos , e cada tipo tem seu próprio anti-tipo!
Mas esses tipos e anti-tipos estão todos relacionados de uma maneira muito estranha.
Crédito da imagem: eu.
Veja, eu gosto de pensar nas cores vermelho, verde e azul como três direções que compõem os lados de um triângulo equilátero. Se você quer que algo seja estável, é não pode ter uma cor de rede , então você tem que ter algum tipo de combinação que te leve de volta ao seu ponto de partida. Então você pode ter três quarks, três antiquarks, uma combinação quark-antiquark ou alguma combinação dos três anteriores. (Por exemplo, quatro quarks e um antiquark, dois quarks-dois antiquarks, seis antiquarks, etc.) algumas maneiras diferentes de chegar ao incolor, ou o que simplesmente chamamos Branco .
Crédito da imagem: McLean County Unit District Number 5, http://www.unit5.org/ .
Então isso explica por que só vemos coisas como prótons e nêutrons (que são exemplos de bárions, ou combinações de três quarks), antiprótons e antinêutrons (antibárions, com três antiquarks cada) ou partículas como pions e kaons (que são mésons). , ou combinações quark-antiquark): você tem que acabar incolor.
Mas e se você pegasse, digamos, um méson pi, que pode ser uma combinação de um quark up e um antiquark anti-down, e tentasse separar essa combinação quark-antiquark? Você poderia?
Crédito da imagem: Flip Tanedo de Quantum Diaries, via http://www.quantumdiaries.org/2010/10/22/qcd-and-confinement/ .
Você pode tentar, mas quanto mais energia você colocar no sistema para obter esses dois colori entidades mais distantes, mais forte seria a força atrativa. É como uma mola: quanto mais você a estica, maior a força com a qual ela quer voltar.
Mas se você insistir em separá-los cada vez mais, eventualmente precisará de tanta energia que simplesmente criará um novo par partícula-antipartícula do espaço vazio!
Crédito da imagem: Flip Tanedo de Quantum Diaries, via http://www.quantumdiaries.org/2010/10/22/qcd-and-confinement/ .
Há uma razão importante para isso que é muito diferente de nossas outras forças. Na gravidade, se você tem uma única massa (carga gravitacional) sozinha, a força que ela gera é forte perto dela, mas cai para zero à medida que você se afasta. No eletromagnetismo, se você tem uma única carga (carga elétrica) sozinha, a mesma coisa: a força que ela gera (atrativa ou repulsiva) é forte muito perto dela, mas cai para zero à medida que você se afasta.
Mas na força forte, se você tem uma carga de cor única por si só, a força que ela gera fica cada vez mais forte quanto mais você se afasta dela, e só cai para zero quando você está muito perto! Se você já teve um quark livre, mesmo que temporariamente, mesmo que fosse livre apenas por uma distância muito pequena ao seu redor, seria necessário um imenso quantidade de energia para criar, e imediatamente começaria a puxar os pares partícula-antipartícula do vácuo até que tudo ficasse incolor novamente.
Se isso parece loucura, provavelmente é porque isto é , mas é a única maneira de explicar o que a natureza faz quando pegamos, digamos, dois prótons e os esmagamos em energias incrivelmente altas.
Crédito da imagem: colaboração CERN / ATLAS, via http://atlas.web.cern.ch/Atlas/public/EVTDISPLAY/events.html .
De vez em quando, veremos um enorme jato de partículas (geralmente duas, às vezes três ou quatro) que voam do ponto de colisão de alta energia. Como juntar tantos bárions, antibárions e mésons em um só lugar? Porque por um momento muito breve, você criou um quark (ou antiquark) que era muito livre, e começou a puxar todos esses pares de partículas-antipartículas do vácuo quântico até que tudo ficasse com cores neutras mais uma vez!
E é essa estranheza – que a força e a energia necessárias para libertar um quark aumentam exponencialmente à medida que sua distância de outros quarks aumenta – que ganhou o Prêmio Nobel de Física de 2004 . Essa nova ideia, de que a força iria para zero em distâncias curtas, mas sobem rapidamente em grandes distâncias, é conhecido como liberdade assintótica , e explica por que os núcleos são unidos em tamanhos pequenos, mas finitos, e é esta força de ligação que é responsável por cerca de 99% da massa de prótons e nêutrons!
Crédito da imagem: York Schroeder , através da http://www.physik.uni-bielefeld.de/~yorks/www/teaching.html .
Portanto, você nunca terá um quark livre que dure no Universo, pois a energia necessária para liberá-lo é mais que suficiente para criar novas partículas que farão com que ele se confine espontaneamente em um estado incolor. E apesar de ser contra-intuitivo, agora você sabe o porquê!
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