¿Es el gluón también una fuerza repulsiva?

Question

En la imagen de un protón vemos 3 quarks, mantenidos juntos por gluones. Pero los dos $u$ quarks se repelen entre sí, por lo que los gluones actúan a través de la fuerza fuerte, mientras que los quarks $u$ y $d$ se atraen entre sí, si todo esto es correcto, entonces ¿qué los mantiene separados? ¿puede un gluón actuar también como una fuerza repulsiva?

EDICIÓN: hay algo que se me escapa, si la respuesta es correcta: "*a una cierta distancia la fuerza se vuelve repulsiva*". Presumiblemente, la distancia entre U-U y U-D es la misma, entonces ¿por qué en un caso repele y en el otro atrae?

Answer 1

Descripción de la fuerza dentro de los nucleones (entre quarks):

La fuerza fuerte es bastante extraña, ni siquiera podemos calcular soluciones exactas para ella en la teoría cuántica de campos (que es la descripción más precisa de las interacciones o partículas/campos).

Así que la calculamos en límites, como el límite cuando la distancia se hace pequeña o grande, pero no podemos calcular todos los valores exactos a medida que la distancia aumenta y mostrarlo como una función (en la primera imagen puedes ver una aproximación de lo que nos dicen los datos de los aceleradores, pero matemáticamente no puede ser calculado exactamente).

Lo que encontramos en 1973, fue que la fuerza del color atractiva (fuerza fuerte mediada por gluones) en realidad se vuelve más débil a medida que los quarks se acercan. Esto se llama libertad asintótica (los quarks tienden a liberarse a medida que nos acercamos a escalas de distancia más cortas [escalas de energía más altas]). Dado que los quarks se vuelven no interactuantes a distancias cortas, no hay necesidad de una fuerza para mantenerlos separados, puedes ver esto mejor en la siguiente imagen, donde la carga de color se puede interpretar como la intensidad de la fuerza.

En el otro caso límite, encontramos lo que llamamos confinamiento, que es que cuando separamos los quarks (distancia a mayor escala/energías a menor escala) la fuerza de color atractiva esencialmente se acerca a un valor constante alto, manteniéndolos juntos o luego a cierta distancia más alta, la fuerza del gluón desaparece porque la creación de partícula-antipartícula es posible, para lo cual una toma la posición previa de nuestro quark original ahora separado, y la otra entra en un estado ligado con nuestra partícula separada :)

Ahora puedes ver por qué se llaman gluones, no permiten que los quarks estén solos, ¡siempre están pegados a más quarks!

Descripción de la fuerza entre nucleones (no entre quarks):

Ahora podemos decir que hay un remanente de la interacción entre quarks con gluones, que irradia fuera del nucleón (protón o neutrón), lo que hace que los protones y neutrones interactúen, atrayéndolos y uniéndolos en el núcleo. Pero esta fuerza residual los mantiene a cierta distancia, no como la fuerza eléctrica atractiva, que siempre quiere acercarlos más y más y más.

Se puede ver y entender mucho mejor si se ve esta gráfica de las fuerzas correspondientes. Donde se ve que la fuerza fuerte residual comienza repulsiva, y a cierta distancia alrededor de la separación de los nucleones, se vuelve atractiva.

También se puede ver que la fuerza fuerte residual atractiva en su punto máximo es mucho mayor que la repulsiva eléctrica, lo que significa que su efecto predomina, fijando las partículas a una distancia concreta. O en el caso de partículas con carga eléctrica opuesta, cuando la fuerza eléctrica intenta acercarlas demasiado, entonces la fuerza fuerte se vuelve repulsiva y nuevamente las fija a una separación concreta.

Edición: Imágenes adicionales de Visualizaciones de Cromodinámica Cuántica (enlace)

Simulaciones de los "caldos cuánticos", donde se puede ver que va a ser más complicado que las bolas interactuando:

Simulaciones de lo que se llama tubos de flujo que muestran el campo gluónico, formado entre quarks en estados mesónicos (par quark-antiquark) o nucleones (tres quarks):

donde se puede ver que estos tubos de flujo tienden a minimizar su longitud uniéndolos a los tres quarks en un solo flujo en forma de "Mercedes". (En estas últimas simulaciones han fijado la forma y las posiciones de los quarks, donde en realidad, de nuevo serían sopas más complejas que oscilan).

Answer 2

Comencemos a partir de hechos experimentales. El protón existe y es estable. Esto significa que a nivel cuántico debe haber una función de onda estable, solución de los potenciales complicados tanto de la fuerza electromagnética como de la fuerza fuerte. El protón es aún más complicado que su imagen ya que tiene innumerables pares de quarks-antiquarks y gluones en su composición. Ver este artículo:

La complicación matemática se modela con teoría cuántica de campos en red, con la cual se han modelado exitosamente los estados ligados superiores del nucleón, por ejemplo vea las figuras aquí.

Mi punto básico es que el protón es un estado ligado cuántico de sus componentes, al igual que los estados de mayor masa del [octeto de barión](https://es.wikipedia.org/wiki/Ocho_v%C3%ADas_(f%C3%ADsica)#Octeto y décuplet de barión) y decuplet. El protón es estable porque es el estado de energía más bajo.