Quarks hebben eigenlijk geen Kleuren

op een fundamenteel niveau wordt de werkelijkheid bepaald door slechts twee eigenschappen van ons universum: de kwanta waaruit alles bestaat en de interacties die tussen hen plaatsvinden. Hoewel de regels die dit alles regelen ingewikkeld lijken, is het concept zeer eenvoudig. Het universum bestaat uit discrete stukjes energie die zijn gebonden aan kwantumdeeltjes met specifieke eigenschappen, en die deeltjes interageren met elkaar volgens de wetten van de fysica die ten grondslag liggen aan onze werkelijkheid.

sommige van deze kwantumeigenschappen bepalen of en hoe een deeltje zal interageren onder een bepaalde kracht. Alles heeft energie, en daarom ervaart alles zwaartekracht. Alleen de deeltjes met de juiste ladingen ervaren echter de andere krachten, aangezien deze ladingen noodzakelijk zijn om koppelingen te laten plaatsvinden. In het geval van de sterke nucleaire kracht, hebben deeltjes een kleurlading nodig om te interageren. Maar quarks hebben geen kleuren. Dit is wat er in plaats daarvan gebeurt.

hoewel we misschien niet alles over deze realiteit begrijpen, hebben we alle deeltjes van het standaardmodel ontdekt en de aard van de vier fundamentele krachten — zwaartekracht, elektromagnetisme, de zwakke kernkracht en de sterke kernkracht — die hun interacties bepalen. Maar niet elk deeltje ervaart elke interactie; daarvoor heb je de juiste lading nodig.

van de vier fundamentele krachten heeft elk deeltje een eigen energie, zelfs massaloze deeltjes zoals fotonen. Zolang je energie hebt, ervaar je de zwaartekracht. Bovendien is er maar één type gravitationele lading: positieve energie (of massa). Om deze reden is de gravitatiekracht altijd aantrekkelijk, en vindt plaats tussen alles wat in het universum bestaat.

elektromagnetisme is iets ingewikkelder. In plaats van één soort fundamentele lading, zijn er twee: positieve en negatieve elektrische ladingen. Wanneer soortgelijke ladingen (positief en positief of negatief en negatief) interageren, stoten ze af, terwijl wanneer tegengestelde ladingen (positief en negatief) interageren, ze aantrekken.

dit biedt een opwindende mogelijkheid dat zwaartekracht dat niet doet: de mogelijkheid om een gebonden toestand te hebben die geen nettokracht uitoefent op een extern, afzonderlijk geladen object. Wanneer gelijke hoeveelheden positieve en negatieve ladingen aan elkaar binden in een enkel systeem, krijg je een neutraal object: een zonder netto lading. Vrije heffingen oefenen aantrekkelijke en / of afstotende krachten uit, maar ongeladen systemen niet. Dat is het grootste verschil tussen zwaartekracht en elektromagnetisme: het vermogen om neutrale systemen te hebben die bestaan uit niet-nul elektrische ladingen.

als we deze twee krachten naast elkaar zouden zien, zou je kunnen denken aan elektromagnetisme als twee richtingen, terwijl de zwaartekracht slechts één richting heeft. Elektrische ladingen kunnen positief of negatief zijn, en de verschillende combinaties van positief-positief, positief-negatief, negatief-positief en negatief-negatief zorgen voor zowel aantrekking als afstoting. De zwaartekracht daarentegen heeft slechts één soort lading, en dus slechts één soort kracht: aantrekking.

hoewel er twee soorten elektrische lading zijn, is er slechts één deeltje nodig om de aantrekkelijke en afstotende werking van elektromagnetisme op te vangen: het foton. De elektromagnetische kracht heeft een relatief eenvoudige structuur-twee ladingen, waar die elkaar afstoten en tegenpolen aantrekken-en een enkel deeltje, het foton, kan zowel elektrische als magnetische effecten verklaren. In theorie kan een enkel deeltje, het graviton, hetzelfde doen voor zwaartekracht.

maar dan, op een heel andere basis, is er de sterke kracht. Het is vergelijkbaar met zowel zwaartekracht als elektromagnetisme, in de zin dat er een nieuw type lading is en nieuwe mogelijkheden voor een kracht die ermee verbonden is.

als je denkt aan een atoomkern, moet je onmiddellijk erkennen dat er een extra kracht moet zijn die sterker is dan de elektrische kracht, anders zou de kern, gemaakt van protonen en neutronen, uit elkaar vliegen als gevolg van elektrische afstoting. De creatief benoemde sterke kernkracht is de verantwoordelijke partij, omdat de bestanddelen van protonen en neutronen, quarks, zowel elektrische ladingen hebben als een nieuw type lading: kleurlading.

in tegenstelling tot wat je zou verwachten, hoewel, er is geen kleur betrokken bij alle. De reden waarom we het kleurlading noemen is omdat in plaats van een fundamenteel, aantrekkelijk type lading (zoals zwaartekracht), of twee tegengestelde soorten fundamentele lading (positief en negatief, zoals elektromagnetisme), de sterke kracht wordt beheerst door drie fundamentele soorten lading, en ze gehoorzamen heel andere regels dan de andere, meer bekende krachten.

voor elektrische ladingen kan een positieve lading worden opgeheven door een gelijke en tegengestelde lading — een negatieve lading — van dezelfde grootte. Maar voor kleurladingen, heb je drie fundamentele soorten lading. Om een enkele kleurlading van één type te annuleren, hebt u een van elk van de tweede en derde typen nodig. De combinatie van gelijke aantallen van alle drie types resulteert in een combinatie die we “kleurloos” noemen, en kleurloos is de enige combinatie van composietdeeltje dat stabiel is.

dit werkt onafhankelijk voor quarks, die een positieve kleurlading hebben, en antiquarks, die een negatieve kleurlading hebben. Als je je een kleurenwiel voorstelt, zet je Rood, groen en blauw op drie plaatsen op gelijke afstand, zoals een gelijkzijdige driehoek. Maar tussen rood en groen zou geel zijn; tussen groen en blauw zou cyaan zijn; tussen rood en blauw zou magenta zijn.

deze tussenkleurladingen komen overeen met de kleuren van de antideeltjes: de antikleuren. Cyaan is hetzelfde als anti-rood; magenta is hetzelfde als anti-groen; geel is hetzelfde als anti-blauw. Net zoals je drie quarks kunt optellen met rode, groene en blauwe kleuren om een kleurloze combinatie te maken (zoals een proton), kun je drie antiquarks optellen met Cyaan, magenta en gele kleuren om een kleurloze combinatie te maken (zoals een antiproton).

als je iets over kleur Weet, zou je kunnen denken aan andere manieren om een kleurloze combinatie te genereren. Als drie verschillende kleuren of drie verschillende anticolors zouden kunnen werken, zou de juiste kleur-anticolor combinatie je daar misschien kunnen brengen?

in feite kan dat. Je zou de juiste combinatie van een quark en een antiquark kunnen mengen om een kleurloos samengesteld deeltje te produceren, bekend als een meson. Dit werkt, omdat:

• rood en cyaan,
• groen en magenta,
• en blauw en geel

zijn allemaal kleurloze combinaties. Zolang je optelt tot een kleurloze netto lading, de regels van de sterke kracht staat u toe om te bestaan.

dit kan je gedachten op een aantal interessante paden beginnen. Als Rood + Groen + Blauw een kleurloze combinatie is, maar rood + cyaan ook kleurloos, betekent dat dan dat groen + blauw hetzelfde is als cyaan?

dat klopt helemaal. Het betekent dat u een enkele (gekleurde) quark kunt hebben gekoppeld met een van de volgende:

• twee extra quarks,
• één antiquark,
• drie extra quarks en één antiquark,
• één extra quark en twee antiquarks,
• vijf extra quarks,

of elke andere combinatie die leidt tot een kleurloos totaal. Als je hoort over exotische deeltjes zoals tetraquarks (twee quarks en twee antiquarks) of pentaquarks (vier quarks en één antiquark), weet dan dat ze zich aan deze regels houden.

maar kleur is slechts een analogie, en die analogie zal vrij snel afbreken als je er te gedetailleerd naar gaat kijken. Bijvoorbeeld, de manier waarop de sterke kracht werkt is door het uitwisselen van gluonen, die een kleur-anticolor combinatie met hen dragen. Als je een blauwe quark bent en een gluon uitzendt, kan je veranderen in een rode quark, wat betekent dat het gluon dat je uitstraalde een cyaan (anti-rood) en een blauwe kleurlading bevatte, waardoor je kleur kon besparen.

je zou dan kunnen denken, met drie kleuren en drie antikleuren, dat er negen mogelijke soorten gluon zijn die je zou kunnen hebben. Immers, als je elk van rood, groen en blauw matcht met elk van cyaan, magenta en geel, zijn er negen mogelijke combinaties. Dit is een goede eerste gok, en het is bijna goed.

het blijkt echter dat er slechts acht gluonen bestaan. Stel je voor dat je een rode quark bent, en je straalt een rood/magenta gluon uit. Je gaat de rode kwark veranderen in een groene kwark, want zo behoud je kleur. Dat gluon zal dan een groene kwark vinden, waar de magenta zal vernietigen met de groene en de rode kleur achterlaat. Op deze manier worden Kleuren uitgewisseld tussen interagerende gekleurde deeltjes.

deze denkwijze is slechts goed voor zes van de gluonen, hoewel:

• rood / magenta,
• rood / geel,
• groen/cyaan,
• groen/geel,
• Blauw/Cyaan, en
• blauw / magenta.

wanneer je de andere drie mogelijkheden tegenkomt-rood / cyaan, Groen / magenta en Blauw / Geel-is er een probleem: ze zijn allemaal kleurloos.

in de fysica vermengen deeltjes met dezelfde kwantumgetallen zich. Deze drie soorten gluonen, die allemaal kleurloos zijn, mengen zich absoluut. De details van hoe ze mengen zijn vrij diep en gaan buiten het bereik van een niet-technisch artikel, maar je eindigt met twee combinaties die een ongelijke mix van de drie verschillende kleuren en anticolors, samen met een combinatie die een mix van alle kleuren/anticolor paren gelijk.

die laatste is echt kleurloos en kan niet fysiek interageren met deeltjes of antideeltjes met kleurladingen. Daarom zijn er slechts acht fysische gluonen. De uitwisseling van gluonen tussen quarks (en/of antiquarks), en van kleurloze deeltjes tussen andere kleurloze deeltjes, is letterlijk wat atoomkernen aan elkaar bindt.

we kunnen het kleurlading noemen, maar de sterke nucleaire kracht gehoorzaamt aan regels die uniek zijn tussen alle fenomenen in het universum. Terwijl we kleuren toeschrijven aan quarks, anticolors aan antiquarks en kleur-anticolor combinaties aan gluonen, is het slechts een beperkte analogie. In werkelijkheid hebben geen van de deeltjes of antideeltjes een kleur, maar gehoorzamen alleen maar aan de regels van een interactie die drie fundamentele soorten lading heeft, en alleen combinaties die geen netto lading hebben onder dit systeem mogen in de natuur bestaan.

deze ingewikkelde interactie is de enige bekende kracht die de elektromagnetische kracht kan overwinnen en twee deeltjes van dezelfde elektrische lading samen kan houden tot één stabiele structuur: de atoomkern. Quarks hebben eigenlijk geen kleuren, maar ze hebben wel ladingen zoals bepaald door de sterke interactie. Alleen met deze unieke eigenschappen kunnen de bouwstenen van materie zich combineren om het universum te produceren dat we vandaag bewonen.