¿Cuál es la relación entre los quarks, los gluones y el campo de Higgs?
La teoría del campo de Higgs fue propuesta por el físico Peter Higgs en 1964. Es un campo cuántico que se supone está presente en todo el universo. Según el mecanismo de Higgs del modelo estándar, algunas partículas elementales ganan masa debido a su interacción con el campo de Higgs. El bosón de Higgs es una vibración del campo de Higgs.
Según esta teoría, los fermiones, los bosones W y los bosones Z ganan masa a través del campo de Higgs debido a su propia atracción, mientras que los fotones y gluones ganan masa a través del campo de Higgs porque no tienen atracción. del campo de Higgs es cero. El mecanismo de Higgs aplica una ruptura espontánea de la simetría para dar masa a las partículas.
Dado que existe un campo de Higgs, ¿existe materia de Higgs? El editor cree que de enero a marzo de 2003, los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. utilizaron el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) para realizar una serie de experimentos, incluido el experimento de colisión de núcleos de oro y deuterones (Deuterio - oro). , el experimento de colisión de dos haces de núcleos de deuterio (deuterio - deuterio) y el análisis comparativo con los resultados experimentales de la colisión de dos haces de núcleos de oro (oro - oro), encontraron que se encuentra en un plasma de quarks-gluones en estado líquido. Es posible que la materia de Higgs y el plasma de quarks-gluones sean la misma sustancia.
Según el modelo básico de la física cuántica, los fotones y los gluones no tienen masa. La masa del quark up es de 1,7 a 3,3 (MeV/c2) y la masa del quark down es de 4,1 a 5,8 (MeV/c2). Dos quarks arriba y un quark abajo forman el protón, y dos quarks abajo y un quark arriba forman el neutrón. La masa del protón es 938 millones de electronvoltios/c? (MeV/c?), que es 1,672621637 (83) × 10-27 kilogramos, que es aproximadamente 1836,5 veces la masa del electrón. × 10-27 kilogramos (939,56563 MeV), ligeramente mayor que la masa de un protón.
El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California, EE.UU., ha descubierto mediante experimentos que el 9% de la masa del protón proviene de los quarks, el 32% proviene de la energía dentro de los quarks, el 36% proviene de la energía de gluones, y el 23% lo rodea. Efectos cuánticos que ocurren cuando interactúan quarks y gluones. Sólo alrededor del 1% de la masa de partículas compuestas como protones y neutrones se debe al mecanismo de Higgs que da masa a los quarks, y el 99% restante se debe a la energía cinética de los quarks y a la energía de los gluones de masa cero que interactúan fuertemente. .
Se puede ver que el mecanismo de Higgs no utiliza un método milagroso de "hacer algo de la nada" para generar masa de partículas, sino que transfiere masa desde el campo de Higgs, que almacena masa en forma de energía. partícula. Para explicar cómo los gluones producen quarks, la teoría más popular en la actualidad es la teoría del "tubo de flujo" (también llamada teoría de la banda elástica). Cuando se estira el tubo de flujo, se produce tensión, confinando así los quarks dentro de los hadrones. . Cuando el tubo de flujo se estira lo suficiente, es energéticamente más beneficioso hacer un par quark-antiquark a partir del vacío que simplemente aumentar la longitud del tubo de flujo. En este momento, continuar estirando el tubo de flujo puede causar el flujo. tubo se rompa, formando un par quark-antiquark.
En comparación con la relación entre quarks, gluones y el campo de materia de Higgs, la teoría del "tubo de flujo" sólo ofrece una posibilidad. Al fin y al cabo, hasta el momento ningún experimento ha observado la situación real, ni siquiera indirectamente. Aparte de la teoría del "tubo de flujo", ¿existe alguna otra posibilidad para la relación entre los tres? Podemos discutir:
Cuando ocurrió el Big Bang, debido a la falta de homogeneidad, la energía en diferentes partes era diferente. Las formas de la materia también varían ampliamente. A través de constantes colisiones, fricciones, descomposición y reorganización, parte de la materia forma un plasma de quarks-gluones que transporta energía. En este ion material licuado, la energía existe en forma de gluones. Los gluones son como un condensador de gran capacidad y poseen una enorme energía. Ambos extremos tienen las mismas cargas positivas y negativas. En general, poco atractivo. Cuando los gluones entran en contacto con el plasma se produce un fenómeno de descarga debido a la diferencia de fase. Es decir, se liberan cargas positivas y negativas iguales desde ambos extremos, formando dos esferas iónicas cargadas en el cuerpo iónico. Es decir, los quarks positivos y negativos tienen masa porque tienen cargas positivas y negativas.
En el mundo real ocurren situaciones similares. Por ejemplo, los principios de formación de las bobinas de Tesla y de las centellas, que son raros en la naturaleza, pueden tener muchas similitudes con los quarks. Para ello, los científicos rusos también han llevado a cabo investigaciones especiales en este ámbito.
Según la revista rusa "Scientific Information", expertos del Instituto Constantin de Física Nuclear de San Petersburgo de la Academia de Ciencias de Rusia descubrieron en sus investigaciones que los rayos en forma de bola están compuestos de iones de hidrógeno positivos y negativos. Los iones hidroxilo están rodeados por vapor de agua y las moléculas de agua evitan que los dos iones se combinen, lo que permite que los rayos existan durante algún tiempo. Basándose en esta característica, crearon relámpagos en forma de bola en el laboratorio.
Durante el Big Bang se formaron muchos plasmas de quarks-gluones. Chocan, se frotan, se descomponen y se recombinan constantemente, produciendo muchos gluones con diferentes energías. Algunos gluones generan independientemente quarks positivos y negativos, como los bosones W, los bosones Z, etc. Algunos están conectados de extremo a extremo para formar un grupo de gluones. Ahora se ha descubierto una combinación de cuatro y cinco gluones. La combinación de tres gluones es la más estable. En la Tierra sólo se encuentran quarks arriba y abajo, y la mayoría de los demás quarks se encuentran en los rayos cósmicos. Los quarks masivos seguirán desintegrándose hasta alcanzar un estado estable.
Gluones de diferentes energías se combinan mediante el principio de atracción positiva y negativa. Los quarks se forman mediante una descarga eléctrica en la unión de dos gluones. El tamaño de la carga y las propiedades eléctricas de un quark están determinadas por los dos gluones adyacentes. Los quarks atraen la materia del plasma mediante una serie de reacciones provocadas por su carga, formando masa. Si dos gluones adyacentes tienen la misma energía, es posible formar un fotón. Dado que los fotones llevan energías positivas y negativas opuestas y cargas iguales, no son atractivos (debido a que la superficie del fotón tiene una capa ionizada, es necesario discutir más a fondo si tiene masa), es decir, ningún material de la capa ionizada será atraído por ello. La combinación más estable de gluones y quarks es el protón, que tiene un período de desintegración de 13 mil millones de años.