¿Cuál es la energía de unión al gluón para protones y neutrones?

La energía de unión aporta aproximadamente el 99% de la masa de un protón. La masa de un protón es de aproximadamente 940 MeV (estas son las unidades más utilizadas en física de partículas). En comparación, la “masa desnuda” [1] de un quark up es de alrededor de 2 MeV, y la masa desnuda de un quark down es de aproximadamente 5 MeV. Un protón tiene dos quarks hacia arriba y uno hacia abajo como ‘quarks de valencia’, que combinados solo contribuyen con aproximadamente 10 MeV. El resto de la masa, aproximadamente 930 MeV, proviene de la energía de unión.

Para un átomo, donde realmente puedes separar los electrones del núcleo, la energía de enlace te dice cuánta energía necesitas agregar para separar algunos electrones. Por ejemplo, la energía de unión del hidrógeno es de 13,6 eV. Si golpeas un átomo de hidrógeno con un fotón de esta energía o mayor, puedes ionizar el electrón fuera del protón.

La historia no es tan simple para los bariones, ya que no podemos separar solo un quark de valencia individual de un barión. Esto se debe a una propiedad de la fuerza fuerte llamada confinamiento de color, lo que significa que solo obtenemos estados de color neutro, y un quark no es de color neutro. Debido a esta propiedad, la energía de unión que mencioné antes (930 MeV) no es suficiente para “sacar” un quark de valencia de un protón.

A pesar del hecho de que esto no es suficiente energía para desligar un protón, sigue siendo la cantidad de energía que proviene de las interacciones de campo, en lugar de las masas de partículas desnudas.

[1] Masa desnuda significa la masa que tendría este quark si pudieras desactivar las interacciones QCD y así aislar solo un quark (esto no es posible en el mundo real porque los quarks no son de color neutro). Se infiere de las masas de hadrones y de las simulaciones. No estoy calificado para decir cómo se infieren las masas desnudas.

En los quarks virtuales, el mecanismo de Higgs solo determina con qué frecuencia surgen los quarks virtuales. Es responsable de los quarks virtuales, no de su energía y, por lo tanto, no forma parte de la masa del protón.

De hecho, incluso solo aproximadamente el 1% de la masa en reposo del protón proviene de la masa en reposo The3 quarks (2 arriba, 1 abajo) a partir de la cual está construido.
Cada uno de estos quarks transporta como Pig-Pen in Peanuts, solo que mucho más pesado: toda una “nube de polvo” de gluones a su alrededor. Eso es alrededor de 340 MeV para cada quark, aunque solo tiene una masa en reposo de 2 MeV (arriba) o 5 MeV (abajo). Aunque los gluones no tienen masa en reposo, forman su movimiento la mayor parte de la masa de los nucleones, ya que la energía cinética según Einstein, contribuye también a la masa (llamada relativista). Por lo tanto, el protón en reposo tiene tanto peso, porque alberga una sopa de gluones calientes como en una olla hirviendo, y la energía térmica de la sopa hace el suelo.

Debido a que los gluones están tan calientes, pueden, y en pequeñas “burbujas”, formar pares de quark-antiquark adicionales que, como en un líquido hirviendo, emergen y desaparecen rápidamente. Estos pares quark-antiquark se denominan, por lo tanto, “virtuales” a pesar de que realmente se detectan muy brevemente. La característica especial de las partículas virtuales es que generalmente no surgen con esa combinación de energía e impulso, como cabría esperar bajo su masa en reposo. Su combinación de energía e impulso es bastante arbitraria y limitada solo por las leyes de conservación. Y nuevamente, es la energía de los quarks virtuales a través de la masa de la contribución de protones. Su masa en reposo es (casi) sin influencia. Determina cuán fácil es cumplir con las leyes de conservación de energía e impulso.

Cuanto más pesada sea la masa en reposo de un quark, más difícil será. Por lo tanto, los c-quarks en el protón casi nunca superan al quark como quarks virtuales antes, b-quarks es raro, varias veces y u, d, s quarks muy, muy frecuentemente. Un estudiante universitario ha medido que en el LHC están involucrados en aproximadamente el 1% de las colisiones en las que surgen partículas Z, b-quarks virtuales. Aunque los b-quarks tienen una masa en reposo de 4,2 GeV, el protón pesa solo 0,938 GeV.

En realidad, hay una explicación simple de por qué la mayor parte de la masa de protones no es la masa en reposo del quark, y tiene que ver con el principio de incertidumbre de Heisenberg. Las fuerzas fuertes entre los quarks se hacen más fuertes con la distancia, ya a distancias muy pequeñas: el diámetro del protón es del orden de 1.7 fm, muchos órdenes de magnitud más pequeños que el tamaño de un átomo.

Ahora, observemos un protón y preguntemos “¿dónde están los quarks?” Lo sabemos bastante bien: están en algún lugar dentro del protón. Entonces, la incertidumbre de una posición de quark es del orden del radio de protones. Pero, según el principio de incertidumbre de Heisenberg, el producto de las incertidumbres de posición e impulso debe ser mayor que [math] \ hbar / 2 [/ math]. Poniendo el 1 fm como la incertidumbre de la posición, obtenemos que la incertidumbre del momento del quark debe ser del orden de 100 MeV / c, para cada componente del momento. Por lo tanto, el impulso total promedio del quark dentro de un protón debe ser de alrededor de 170 MeV / c. Esto es mucho más alto que la masa de un quark light, esto significa que los quarks dentro del protón se mueven a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, y su masa en reposo es prácticamente insignificante, en comparación con su energía cinética. Por lo tanto, la energía total (cinética + masa de reposo) de un quark dentro del protón debe ser de alrededor de 170 MeV, y, por E = mc ^ 2, esta es también la masa que cada quark contribuye a la masa de protones. Como tenemos tres quarks dentro del protón, su masa relativista total es de alrededor de 500 MeV, por lo que ya hemos explicado más de la mitad de la masa de protones.

¿Qué pasa con el resto? Bueno, a pesar de volar todo el tiempo a esas velocidades increíbles, el quark permanece dentro del protón; eso significa que debe haber algún campo que los mantenga adentro. Cada vez que un quark intenta volar demasiado lejos de los demás, se lo retira . Esto significa que también hay algo de campo dentro de un protón, y los quarks tienen algo de energía potencial en este campo. ¿Qué tan grande es la energía? Eso depende de la forma (dependencia de la distancia) del potencial de campo. Pero podemos estimarlo de manera aproximada utilizando el teorema virial, que establece que la energía cinética promedio de una partícula unida en algún potencial es proporcional a su energía potencial promedio. El coeficiente de proporcionalidad depende del potencial, pero para la mayoría de los potenciales “físicos” es del orden uno, es decir, que la energía potencial promedio es del mismo orden de magnitud que la energía cinética promedio. Por lo tanto, la otra mitad de la masa de protones es la energía potencial o, podríamos decir, la energía del campo que mantiene unidos a los quarks.

Los protones y los neutrones están compuestos de quarks, tres cada uno. Hay una fuerza entre ellos, así como hay una fuerza electromagnética entre partículas cargadas.

La fuerza electromagnética es generada por los fotones, los componentes de la luz y otros tipos de radiación electromagnética. Los gluones con quarks son similares, excepto que hay tres tipos de quark. Los tipos se llaman ‘color’, aunque no tiene nada que ver con el color como tal.

Como la mayoría de las partículas, también tienen masa. Lo que pensamos como masa es en realidad la apariencia a gran escala de este desastre de partículas y energía.

Todas las formas de energía tienen masa, aunque generalmente es un efecto demasiado pequeño como para notarlo.

La misa no se trata solo de “cosas”. Ciertamente, esa es nuestra experiencia en nuestra vida cotidiana, pero a escalas muy pequeñas o a velocidades relativistas, las cosas se ponen raras.

Imagínese que acaba de caminar por el Monte Everest, arriba y atrás, y está cansado, hambriento, sediento, congelado, y acaba de regresar al campamento base y se sentó en un sofá muy, muy cómodo, con su bebida favorita, y tu programa de TV favorito está en marcha. Lo único que te convencería de levantarte de ese sofá es un enorme luchador de sumo que te levanta y te arrastra.

Bueno, es casi lo mismo con los quarks en un protón, excepto que hay tres quarks (que comprenden el 1% de la masa), y llamamos al sofá (el otro 99%) la energía de unión.

Resulta que para sacar los tres quarks del sofá necesitarías golpearlos con el 99% de la energía de la masa de un protón. En otras palabras, necesitaría un luchador de sumo aproximadamente 100 veces más grande que un quark para arrastrar un quark fuera del sofá de quark, aunque hay tecnicismos que lo impiden en la práctica, ya que a los quarks no les gusta hacer nada por sí mismos. En la práctica, solo puedes mover los tres quarks y su sofá todos juntos, lo que requiere más esfuerzo, pero te ahorra la contratación de dos luchadores de sumo adicionales.

Por lo tanto, puede ser útil pensar en la masa no solo como “material” sino también como una especie de pereza de quark. Sí, se manifiesta como un montón de interacciones de gluones, pero no se obsesione con el aspecto de las partículas.

Lo importante es que los quarks están felices donde están en su sofá, muchas gracias, y para hacer cualquier cosa útil con ellos hay que mover los tres quarks y su gran y pesado sofá, todos juntos.

La energía de unión al gluón es causada por la naturaleza especial de la fuerza nuclear fuerte. Esta fuerza lleva un medidor no abeliano SU (3) y por esta razón se comporta de manera muy diferente en comparación con la gravedad o el electromagnetismo. En realidad, se fortalece con el aumento de la distancia y se debilita a distancias cortas. El cuanto de esta fuerza es un gluón que viene en 8 variedades diferentes y media la interacción entre 2 quarks dentro de un protón o un neutrón.

Hola chicos, recuerden que no hay ninguna diferencia entre energía y masa: describen la misma característica. Y, en mi opinión, solo dudas de la diferencia entre materia y campo; sin embargo, desde una vista cuántica, la materia es campo y el campo es materia.

Pedir no usar [matemáticas] E = mc ^ {2} [/ matemáticas] en la explicación de un fenómeno físico es como pedir no usar el sexo en la explicación de las mujeres que quedan embarazadas.

La respuesta yace en la idea de que masa y energía son equivalentes. Aquí hay una respuesta integral: ¿Cuál es la energía de unión al gluón para protones y neutrones?

Me gusta mucho la explicación de Veritasium