Quarks, gluones y antiquarks son componentes de protones, neutrones y (por definición) otros hadrones. Una propiedad física sorprendente de nuestro mundo es que cuando una de estas partículas es eliminada de un hadron que la contiene y vuela con gran energía de movimiento, permanece macroscópicamente inobservable. En cambio, un quark de alta energía (ya sea gluón o antiquark) se convierte en un "aerosol" de hadrones (partículas que consisten en quarks, antiquarks y gluones). Estos aerosoles se denominan "aerosoles". Tenga en cuenta que esto es cierto para los cinco colores más claros del quark, pero no para el quark superior que se descompone en una partícula W y un quark inferior antes de que pueda aparecer un chorro.
En el artículo, describiré aproximadamente cómo y por qué aparecen los chorros de quarks, antiquarks y gluones de alta energía.
Este comportamiento de los quarks, diferente del comportamiento de los leptones, neutrinos, fotones y otros cargados, se debe al hecho de que los quarks y los gluones están sujetos a una fuerte interacción nuclear, mientras que otras partículas no están sujetas a ella. La mayoría de las interacciones entre dos partículas se debilitan al aumentar la distancia. Por ejemplo, la interacción gravitacional entre dos planetas cae inversamente con el cuadrado de la distancia entre ellos. Lo mismo se hace para la interacción eléctrica entre dos objetos cargados, también cae como un cuadrado de la distancia. Usted mismo puede frotar el globo, cargarlo con electricidad estática y luego llevárselo a la cabeza. Si lo acercas, tu cabello se pondrá de punta, pero este efecto desaparecerá rápidamente si mueves más la pelota.
La interacción nuclear fuerte, aunque crece en distancias cortas y disminuye en distancias largas (aunque no tan rápido como la electricidad, esta propiedad es importante para comprender la historia de las interacciones fuertes), pero deja de disminuir a distancias del orden de una millonésima de billonésima parte de un metro, el orden del radio del protón. que es 100,000 veces más pequeño que el radio del átomo. Y esto no es un accidente: este efecto en realidad determina el tamaño del protón. Esta interacción generada por el campo de gluones se vuelve constante. Y esto significa que si intentas sacar el quark del protón, como en la fig. 1, encontrará que arrastrarlo no se vuelve más fácil, mientras lo empuja más y más. La sensación es aproximadamente comparable a estirar una banda elástica. Excepto que esta banda elástica se romperá en algún momento. Una vez que se haya acumulado suficiente energía en la cinta, la naturaleza preferirá dividirla en dos, en lugar de dejar que se tire. Y cuando se rompe, en lugar de un hadron (protón) obtienes dos: un protón o un neutrón más (generalmente) un pión. En el momento de la ruptura, el par quark / antiquark se forma de cierta manera: la energía en forma de tensión de cinta se convierte en la energía de masa del quark y el antiquark, más una cierta energía de movimiento de algunos gluones adicionales. La energía se ahorra: comenzaste con la energía de masa del protón, agregaste energía a la tensión del protón y recibiste la energía de la masa de dos hadrones (sin ningún estiramiento). La carga eléctrica también se guarda, por lo que obtienes un pión neutro y un protón, o un pión y neutrones cargados positivamente.
Fig. 1: si intentas sacar el quark del protón con la ayuda de unas pinzas mágicas, el protón se distorsionará primero y luego se dividirá en dos hadrones. Su intento de liberar el quark fracasará, y la energía gastada se convertirá en la energía de la masa del segundo hadron.¿Qué sucede cuando un quark de alta energía es eliminado de un protón? Por ejemplo, un electrón de rápido movimiento choca contra un protón, golpea el quark con fuerza, dándole mucha más energía que la energía de masa de todo el protón.
Hablando en términos generales, les diré a los expertos que parte de esta declaración será ingenua y un poco molesta, pero luego la corregiré, sucede lo mismo que se muestra en la Fig. 1, pero a mayor escala. El quark se mueve tan rápido que la banda elástica que aparece no tiene tiempo de rasgarse y se estira demasiado; vea el centro de la Fig. 2. Como resultado, en lugar de romperse en un lugar y formar dos hadrones, se rompe en muchos lugares y forma muchos hadrones (principalmente peonías y kaones (similares a las peonías, pero contienen un extraño quark o antiquark) y mesones eta, o, con menos frecuencia, protones, neutrones, antiprotones o antineutrones). Todos irán más o menos en una dirección. Como resultado, tendremos aerosoles de hadrones, la mayoría de los cuales volarán en dirección al quark original. Ahí lo tienes.
Fig. 2La energía inicial del quark de alta energía ahora se dividía entre hadrones en el avión. Pero para los quarks de energías suficientemente altas (10 GeV o más), una pequeña fracción de la energía está involucrada en la formación de la energía de masa de los nuevos hadrones; la mayor parte se destina a la energía de su movimiento. Como resultado, la energía total y la dirección del chorro son similares a la energía inicial y la dirección del quark. Al medir la energía y la dirección del movimiento de todos los hadrones del jet, y al determinar la energía y la dirección del movimiento del jet en su conjunto, los físicos de partículas obtienen una buena estimación de la energía y la dirección del movimiento del quark inicial.
Lo mismo es cierto para los antiquarks y, con una ligera modificación, para los gluones de alta energía.
Quiero señalar que nadie puede calcular cómo se produce este proceso en detalle. Sabemos lo que le dije, como resultado de una combinación de décadas de cálculos teóricos, ideas teóricas y datos, datos detallados de varias fuentes, que generalmente muestran que esta historia es como es. Y tenemos razones para confiar en ello. De lo contrario, muchas de nuestras pruebas altamente precisas de la teoría de las interacciones nucleares fuertes fallarían.
Nota: este objeto similar a una goma se llama física de alta energía por una cadena QCD (QCD o
cromodinámica cuántica ; estas son ecuaciones que describen fuertes interacciones nucleares). Históricamente, tratando de comprender el comportamiento de los hadrones que observamos en la naturaleza (antes de que los físicos descubrieran QCD y descubrieran gluones, y cuando los quarks no eran tan bien entendidos), los teóricos llegaron a la teoría de cuerdas a fines de la década de 1960. Solo más tarde se hizo evidente que la cuerda en esta teoría de cuerdas temprana era real, parte de la física. E incluso más tarde se hizo evidente que las cadenas QCD no podían describirse adecuadamente utilizando la teoría de cadenas estándar. Durante un tiempo, esto se consideró un fracaso hasta que Scherk y Schwartz indicaron que la teoría de cuerdas podría ser más adecuada para describir la gravedad cuántica (y probablemente todas las partículas fundamentales). Y los expertos en teoría de cuerdas partieron en una dirección diferente. Y recientemente quedó claro cómo se puede hacer algo inesperado usando la teoría de cuerdas estándar para que describa mejor (no es perfecto, pero mucho mejor) las cadenas QCD. Desafortunadamente, ella todavía describe asquerosamente el jet.
Obviamente, todavía hay mucho que decir sobre la fuerte interacción nuclear.
Fig. 3Ahora déjame corregir la imprecisión que se permite en la Fig. 2. He omitido una etapa clave. Se emitirá un quark impactado, como cualquier partícula acelerada. De repente, un electrón acelerado emitirá fotones; De repente, el quark acelerado emitirá gluones (y fotones también, pero son mucho más pequeños). Esto se muestra en la esquina superior derecha de la fig. 3. Por lo tanto, de hecho, no aparece un quark rápido (Fig. 3, en el centro a la izquierda) en el borde del protón, sino un conjunto de gluones rápidos más un quark rápido. Como resultado, el proceso de formación de un chorro de hadrones (Fig. 3, abajo) es más complicado que en la Fig. 2, aunque el resultado es más o menos el mismo. Pero la forma del jet está determinada por la forma en que se emiten los gluones antes de que el quark abandone el protón. ¡Se puede calcular el proceso de emisión de gluones por un quark! Por lo tanto, usando ecuaciones para una interacción nuclear fuerte, uno puede calcular muchas más propiedades del chorro de lo que podría parecer sobre la base del arroz ingenuo. 2. Estos cálculos fueron verificados por datos, como resultado de lo cual se verificaron las ecuaciones para describir las interacciones nucleares fuertes.