Quarks, glúons e antiquarks são componentes de prótons, nêutrons e (por definição) outros hádrons. Uma propriedade física incrível do nosso mundo é que, quando uma dessas partículas é arrancada de um hadrão que a contém e voa com alta energia de movimento, ela permanece inobservável macroscopicamente. Em vez disso, um quark de alta energia (glúon ou antiquark) se transforma em um "spray" de hádrons (partículas constituídas por quarks, antiquarks e glúons). Esses sprays são chamados de "sprays". Observe que isso é verdade para as cinco cores mais claras do quark, mas não para o quark superior que se decompõe em uma partícula W e o quark inferior antes que um jato possa aparecer.
No artigo, descreverei mais ou menos como e por que os jatos aparecem em quarks, antiquarques e glúons de alta energia.
Esse comportamento dos quarks, diferente do comportamento dos léptons, neutrinos, fótons e outros carregados, decorre do fato de que os quarks e glúons estão sujeitos a uma forte interação nuclear, enquanto outras partículas não estão sujeitas a ele. A maioria das interações entre duas partículas se torna mais fraca com o aumento da distância. Por exemplo, a interação gravitacional entre dois planetas cai inversamente com o quadrado da distância entre eles. O mesmo é feito para a interação elétrica entre dois objetos carregados, mas também cai como um quadrado da distância. Você mesmo pode esfregar o balão, carregando-o com eletricidade estática e depois trazê-lo à sua cabeça. Se você o aproximar, seu cabelo ficará arrepiado, mas esse efeito desaparecerá rapidamente se você mover a bola ainda mais.
A forte interação nuclear, embora cresça a curtas distâncias e diminua ao longo de longas distâncias (embora não seja tão rápida quanto a eletricidade - essa propriedade é importante para entender o histórico de fortes interações), mas deixa de diminuir a distâncias da ordem de um milionésimo de bilionésimo de metro - a ordem do raio de próton que é 100.000 vezes menor que o raio do átomo. E isso não é um acidente - esse efeito realmente determina o tamanho do próton. Essa interação gerada pelo campo glúon se torna constante. E isso significa que, se você tentar puxar o quark para fora do próton, como na fig. 1, você descobrirá que arrastá-lo não se torna mais fácil, enquanto você o pressiona cada vez mais. A sensação é aproximadamente comparável ao alongamento de um elástico. Só que esse elástico vai rasgar em algum momento. Uma vez que energia suficiente se acumulou na fita, a natureza prefere dividi-la em duas, em vez de permitir que você puxe. E quando quebra, em vez de um hadron (próton), você recebe dois: um próton ou um nêutron mais (geralmente) um pion. No momento da quebra, o par quark / antiquark é formado de uma certa maneira - a energia na forma de tensão da fita é convertida na energia de massa do quark e do antiquark, além de uma certa energia de movimento de alguns glúons adicionais. A energia é economizada: você começou com a energia de massa do próton, adicionou energia à tensão do próton e recebeu a energia da massa de dois hádrons (sem alongamento). A carga elétrica também é salva, para que você obtenha um pônon neutro e um próton, ou um píon e nêutron com carga positiva.
Fig. 1: se você tentar puxar o quark para fora do próton usando uma pinça mágica, o próton será primeiro distorcido e depois dividido em dois hádrons. Sua tentativa de libertar o quark falhará e a energia gasta se transformará na energia da massa do segundo hadron.O que acontece quando um quark de alta energia é eliminado de um próton? Por exemplo, um elétron em movimento rápido colide com um próton, bate forte no quark, dando-lhe muito mais energia do que a energia de massa de todo o próton?
Em termos gerais - direi aos especialistas que parte dessa afirmação será ingênua e um pouco distraída da essência, mas depois eu a corrigirei - o mesmo acontece como mostrado na Fig. 1, mas em uma escala maior. O quark se move tão rápido que o elástico que aparece não tem tempo para rasgar e se estica demais - veja o meio da Fig. 2. Como resultado, em vez de quebrar em um só lugar e formar dois hádrons, ele quebra em muitos lugares e forma muitos hádrons (principalmente peônias e caões (semelhantes às peônias, mas contêm um quark ou antiquark estranho) e eta mesons, ou, menos comumente, prótons, nêutrons, antiprótons ou antineutrons). Todos eles vão mais ou menos em uma direção. Como resultado, teremos sprays de hadron, a maioria dos quais voará na direção do quark original. Lá está você.
Fig. 2A energia inicial do quark de alta energia estava agora dividida entre os hádrons no jato. Mas para quarks de energias suficientemente altas (10 GeV ou mais), uma pequena fração da energia está envolvida na formação da energia de massa de novos hádrons; a maior parte disso entra na energia de seus movimentos. Como resultado, a energia total e a direção do jato são semelhantes à energia e direção inicial do quark. Medindo a energia e a direção do movimento de todos os hádrons do jato e determinando a energia e a direção do movimento do jato como um todo, os físicos de partículas obtêm uma boa estimativa da energia e da direção do movimento do quark inicial.
O mesmo vale para antiquarks e, com uma pequena modificação, para glúons de alta energia.
Quero observar que ninguém pode calcular como esse processo ocorre em detalhes. Sabemos o que lhe contei, como resultado de uma combinação de décadas de cálculos teóricos, idéias e dados teóricos - dados detalhados de várias fontes - que geralmente mostram que essa história é exatamente como é. E temos motivos para confiar nisso. Muitos de nossos testes altamente precisos da teoria das fortes interações nucleares falhariam.
Nota: esse objeto tipo goma é chamado de física de alta energia por uma string QCD (QCD, ou
cromodinâmica quântica - essas são equações que descrevem fortes interações nucleares). Historicamente, tentando entender o comportamento dos hádrons que observamos na natureza (antes que os físicos inventassem o QCD e descobrissem glúons, e quando os quarks não eram tão bem compreendidos), os teóricos criavam a teoria das cordas no final dos anos 1960. Só mais tarde ficou claro que a corda nessa teoria inicial das cordas era a coisa real, parte da física. E, mais tarde, ficou claro que as cadeias QCD não podiam ser adequadamente descritas usando a teoria padrão das cadeias. Por um tempo, isso foi considerado um fracasso até que Scherk e Schwartz indicaram que a teoria das cordas poderia ser mais adequada para descrever a gravidade quântica (e provavelmente todas as partículas fundamentais). E especialistas em teoria das cordas partem em uma direção diferente. E, recentemente, ficou claro como algo inesperado pode ser feito usando a teoria padrão das cordas, para que melhor (não perfeita, mas muito melhor) descreva as cadeias QCD. Infelizmente, ela ainda descreve repugnantemente o jato.
Obviamente, ainda há muito a ser dito sobre a forte interação nuclear.
Fig. 3Agora, deixe-me corrigir a imprecisão permitida na Fig. 2. Omiti um estágio chave. Um quark impactado, como qualquer partícula acelerada, será emitido. De repente, um elétron acelerado emitirá fótons; de repente, o quark acelerado emitirá glúons (e fótons também, mas eles são muito menores). Isso é mostrado no canto superior direito na fig. 3. Portanto, de fato, não um quark rápido (Fig. 3, no meio à esquerda) aparece na borda do próton, mas um conjunto de glúons rápidos mais um quark rápido. Como resultado, o processo de formação de um jato de hádron (Fig. 3, inferior) é mais complicado do que na Fig. 2, embora o resultado seja mais ou menos o mesmo. Mas a forma do jato é realmente determinada pela forma como os glúons são emitidos antes do quark deixar o próton. O processo de emissão de glúons por um quark pode ser calculado! Portanto, usando equações para forte interação nuclear, pode-se calcular muito mais propriedades do jato do que parece com base no arroz ingênuo. 2. Esses cálculos foram verificados por dados, como resultado das quais foram verificadas as equações para descrever fortes interações nucleares.