Quarks haben eigentlich keine Farben

Auf grundlegender Ebene wird die Realität nur von zwei Eigenschaften unseres Universums bestimmt: den Quanten, aus denen alles besteht, und den Wechselwirkungen, die zwischen ihnen stattfinden. Während die Regeln, die all dies regeln, kompliziert erscheinen mögen, ist das Konzept äußerst einfach. Das Universum besteht aus diskreten Energiebits, die in Quantenteilchen mit spezifischen Eigenschaften gebunden sind, und diese Teilchen interagieren miteinander nach den Gesetzen der Physik, die unserer Realität zugrunde liegen.

Einige dieser Quanteneigenschaften bestimmen, ob und wie ein Teilchen unter einer bestimmten Kraft wechselwirkt. Alles hat Energie und daher erfährt alles Schwerkraft. Nur die Teilchen mit den richtigen Ladungen erfahren jedoch die anderen Kräfte, da diese Ladungen für das Auftreten von Kopplungen notwendig sind. Im Falle der starken Kernkraft benötigen Teilchen eine Farbladung, um zu interagieren. Nur Quarks haben eigentlich keine Farben. Hier ist, was stattdessen los ist.

Obwohl wir vielleicht nicht alles über diese Realität verstehen, haben wir alle Teilchen des Standardmodells und die Natur der vier fundamentalen Kräfte — Schwerkraft, Elektromagnetismus, die schwache Kernkraft und die starke Kernkraft — aufgedeckt, die ihre Wechselwirkungen steuern. Aber nicht jedes Teilchen erfährt jede Wechselwirkung; dafür braucht man die richtige Art von Ladung.

Von den vier fundamentalen Kräften hat jedes Teilchen eine Energie, die ihm innewohnt, selbst masselose Teilchen wie Photonen. Solange du Energie hast, erlebst du die Gravitationskraft. Darüber hinaus gibt es nur eine Art von Gravitationsladung: positive Energie (oder Masse). Aus diesem Grund ist die Gravitationskraft immer attraktiv und tritt zwischen allem auf, was im Universum existiert.

Elektromagnetismus ist etwas komplizierter. Anstelle einer Art von Grundladung gibt es zwei: positive und negative elektrische Ladungen. Wenn gleiche Ladungen (positiv und positiv oder negativ und negativ) interagieren, stoßen sie ab, während entgegengesetzte Ladungen (positiv und negativ) interagieren, ziehen sie sich an.

Dies bietet eine aufregende Möglichkeit, die die Schwerkraft nicht bietet: die Fähigkeit, einen gebundenen Zustand zu haben, der keine Nettokraft auf ein externes, separat geladenes Objekt ausübt. Wenn sich gleiche Mengen positiver und negativer Ladungen zu einem einzigen System verbinden, erhalten Sie ein neutrales Objekt: eines ohne Nettoladung. Freie Ladungen üben attraktive und / oder abstoßende Kräfte aus, ungeladene Systeme jedoch nicht. Das ist der größte Unterschied zwischen Gravitation und Elektromagnetismus: die Fähigkeit, neutrale Systeme zu haben, die aus elektrischen Ladungen ungleich Null bestehen.

Wenn wir uns diese beiden Kräfte nebeneinander vorstellen würden, könnte man sich vorstellen, dass der Elektromagnetismus zwei Richtungen hat, während die Gravitation nur eine einzige Richtung hat. Elektrische Ladungen können positiv oder negativ sein, und die verschiedenen Kombinationen von positiv-positiv, positiv-negativ, negativ-positiv und negativ-negativ ermöglichen sowohl Anziehung als auch Abstoßung. Gravitation hingegen hat nur eine Art von Ladung und daher nur eine Art von Kraft: Anziehung.

Obwohl es zwei Arten von elektrischer Ladung gibt, braucht es nur ein Teilchen, um sich um die attraktive und abstoßende Wirkung des Elektromagnetismus zu kümmern: das Photon. Die elektromagnetische Kraft hat eine relativ einfache Struktur – zwei Ladungen, bei denen sich ähnliche abstoßen und Gegensätze anziehen — und ein einzelnes Teilchen, das Photon, kann sowohl elektrische als auch magnetische Effekte erklären. Theoretisch könnte ein einzelnes Teilchen, das Graviton, dasselbe für die Gravitation tun.

Aber dann, auf einer ganz anderen Grundlage, gibt es die starke Kraft. Es ähnelt sowohl der Schwerkraft als auch dem Elektromagnetismus in dem Sinne, dass es eine neue Art von Ladung und neue Möglichkeiten für eine damit verbundene Kraft gibt.

Wenn Sie an einen Atomkern denken, müssen Sie sofort erkennen, dass es eine zusätzliche Kraft geben muss, die stärker ist als die elektrische Kraft, sonst würde der Kern, der aus Protonen und Neutronen besteht, aufgrund der elektrischen Abstoßung auseinanderfliegen. Die kreativ benannte starke Kernkraft ist die verantwortliche Partei, da die Bestandteile von Protonen und Neutronen, Quarks, sowohl elektrische Ladungen als auch eine neue Art von Ladung haben: Farbladung.

Im Gegensatz zu dem, was Sie vielleicht erwarten, gibt es überhaupt keine Farbe. Der Grund, warum wir es Farbladung nennen, ist, dass anstelle einer fundamentalen, attraktiven Art von Ladung (wie Schwerkraft) oder zwei entgegengesetzten Arten von fundamentaler Ladung (positiv und negativ, wie Elektromagnetismus) die starke Kraft von drei fundamentalen Ladungstypen bestimmt wird, und sie gehorchen sehr unterschiedlichen Regeln als die anderen, bekannteren Kräfte.

Bei elektrischen Ladungen kann eine positive Ladung durch eine gleiche und entgegengesetzte Ladung — eine negative Ladung — gleicher Größe aufgehoben werden. Für Farbladungen gibt es jedoch drei grundlegende Ladungstypen. Um eine einzelne Farbladung eines Typs aufzuheben, benötigen Sie jeweils einen der zweiten und dritten Typen. Die Kombination gleicher Zahlen aller drei Typen führt zu einer Kombination, die wir “farblos” nennen, und farblos ist die einzige Kombination von Verbundpartikeln, die stabil ist.

Dies funktioniert unabhängig für Quarks, die eine positive Farbladung haben, und Antiquarks, die eine negative Farbladung haben. Wenn Sie sich ein Farbrad vorstellen, können Sie Rot, Grün und Blau an drei äquidistanten Stellen wie einem gleichseitigen Dreieck platzieren. Aber zwischen Rot und Grün wäre gelb; zwischen Grün und Blau wäre Cyan; zwischen Rot und Blau wäre Magenta.

Diese Zwischenfarbladungen entsprechen den Farben der Antiteilchen: den Antikoloriden. Cyan ist die gleiche wie anti-rot; magenta ist die gleiche wie anti-grün; gelb ist die gleiche wie anti-blau. So wie Sie drei Quarks mit roten, grünen und blauen Farben addieren könnten, um eine farblose Kombination (wie ein Proton) zu erhalten, könnten Sie drei Antiquarks mit Cyan-, Magenta- und Gelbfarben addieren, um eine farblose Kombination (wie ein Antiproton) zu erhalten.

Wenn Sie etwas über Farbe wissen, denken Sie vielleicht über andere Möglichkeiten nach, um eine farblose Kombination zu erzeugen. Wenn drei verschiedene Farben oder drei verschiedene Anticolors funktionieren könnten, könnte vielleicht die richtige Farbe-Anticolor-Kombination Sie dorthin bringen?

In der Tat kann es. Sie könnten die richtige Kombination aus einem Quark und einem Antiquark mischen, um ein farbloses zusammengesetztes Teilchen zu erzeugen, das als Meson bekannt ist. Das funktioniert, weil:

• rot und Cyan,
• grün und Magenta,
• und Blau und gelb

sind alle farblose Kombinationen. Solange Sie sich zu einer farblosen Nettoladung addieren, erlauben Ihnen die Regeln der starken Kraft zu existieren.

Dies könnte Ihren Geist einige interessante Wege beginnen. Wenn Rot + Grün + Blau eine farblose Kombination ist, aber Rot + Cyan auch farblos ist, bedeutet das, dass Grün + Blau dasselbe wie Cyan ist?

Das ist absolut richtig. Dies bedeutet, dass Sie ein einzelnes (farbiges) Quark mit einem der folgenden kombinieren können:

• zwei weitere Quarks,
• ein Antiquark,
• drei weitere Quarks und ein Antiquark,
• ein weiteres Quark und zwei Antiquarks,
• fünf weitere Quarks,

oder jede andere Kombination, die zu einer farblosen Summe führt. Wenn Sie von exotischen Teilchen wie Tetraquarks (zwei Quarks und zwei Antiquarks) oder Pentaquarks (vier Quarks und ein Antiquark) hören, wissen Sie, dass sie diesen Regeln folgen.

Aber Farbe ist nur eine Analogie, und diese Analogie wird ziemlich schnell zusammenbrechen, wenn Sie anfangen, sie zu detailliert zu betrachten. Zum Beispiel funktioniert die starke Kraft durch den Austausch von Gluonen, die eine Farb-Anti-Farb-Kombination mit sich führen. Wenn Sie ein blaues Quark sind und ein Gluon emittieren, können Sie sich in ein rotes Quark verwandeln, was bedeutet, dass das von Ihnen emittierte Gluon eine Cyan (anti-Rot) und eine blaue Farbladung enthält, wodurch Sie Farbe sparen können.

Sie könnten also denken, mit drei Farben und drei Antikolorierungen gäbe es neun mögliche Arten von Gluon, die Sie haben könnten. Wenn Sie Rot, Grün und Blau mit Cyan, Magenta und Gelb abgleichen, gibt es neun mögliche Kombinationen. Dies ist eine gute erste Vermutung, und es ist fast richtig.

Wie sich jedoch herausstellt, gibt es nur acht Gluonen, die existieren. Stellen Sie sich vor, Sie sind ein rotes Quark und emittieren ein rotes / magentafarbenes Gluon. Du wirst den roten Quark in einen grünen Quark verwandeln, denn so erhältst du Farbe. Dieses Gluon wird dann ein grünes Quark finden, wo das Magenta mit dem Grün vernichtet wird und die rote Farbe zurücklässt. Auf diese Weise werden Farben zwischen wechselwirkenden farbigen Partikeln ausgetauscht.

Diese Denkweise ist jedoch nur für sechs der Gluonen gut:

• rot/magenta,
• rot/gelb,
• grün/cyan,
• grün/gelb,
• blau/cyan und
• blau/magenta.

Wenn Sie auf die anderen drei Möglichkeiten stoßen — Rot / Cyan, Grün / Magenta und Blau / Gelb — gibt es ein Problem: Sie sind alle farblos.

In der Physik, wenn Sie Teilchen haben, die die gleichen Quantenzahlen haben, mischen sie sich zusammen. Diese drei Arten von Gluonen, die alle farblos sind, vermischen sich absolut. Die Details, wie sie sich mischen, sind ziemlich tief und gehen über den Rahmen eines nicht-technischen Artikels hinaus, aber Sie enden mit zwei Kombinationen, die eine ungleiche Mischung der drei verschiedenen Farben und Antikolorierungen sind, zusammen mit einer Kombination, die eine Mischung aller Farben / Antikolorierungen ist Paare gleichermaßen.

Das letzte ist wirklich farblos und kann mit keinem der Teilchen oder Antiteilchen mit Farbladungen physikalisch interagieren. Daher gibt es nur acht physikalische Gluonen. Der Austausch von Gluonen zwischen Quarks (und / oder Antiquarks) und von farblosen Partikeln zwischen anderen farblosen Partikeln ist buchstäblich das, was Atomkerne miteinander verbindet.

Wir können es Farbladung nennen, aber die starke Kernkraft gehorcht Regeln, die unter allen Phänomenen im Universum einzigartig sind. Während wir Quarks Farben, Anticolors Antiquarks und Farbe-Anticolor-Kombinationen Gluonen zuschreiben, ist es nur eine begrenzte Analogie. In Wahrheit hat keines der Teilchen oder Antiteilchen überhaupt eine Farbe, sondern gehorcht lediglich den Regeln einer Wechselwirkung, die drei grundlegende Ladungstypen aufweist, und nur Kombinationen, die unter diesem System keine Nettoladung haben, dürfen in der Natur existieren.

Diese komplizierte Wechselwirkung ist die einzige bekannte Kraft, die die elektromagnetische Kraft überwinden und zwei Teilchen gleicher elektrischer Ladung zu einer einzigen stabilen Struktur zusammenhalten kann: dem Atomkern. Quarks haben eigentlich keine Farben, aber sie haben Ladungen, die von der starken Wechselwirkung bestimmt werden. Nur mit diesen einzigartigen Eigenschaften können sich die Bausteine der Materie zu dem Universum verbinden, in dem wir heute leben.