Según tengo entendido, el Big Bang comenzó con un fotón gaseoso que luego creó las demás partículas. Por lo tanto, es obvio que habría algunos quarks libres en el Universo primitivo, a menos que los quarks se creen siempre por parejas por alguna razón. ¿Cómo resuelve esto la física?
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Uğur Gümüşhan
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En las primeras etapas del Universo los quarks y los gluones eran asintóticamente libres. Este estado de la materia se denomina plasma de quarks y gluones. Luego, a medida que la temperatura del Universo fue disminuyendo, se produjo la llamada hadronización (los quarks se combinan para formar hadrones).
La constante de acoplamiento de la QCD (que, para simplificar, representa en cierto modo la intensidad de la interacción fuerte entre quarks) es un $\textit{running coupling}$ significa que no es realmente una constante, sino que varía con la escala de energía. Como se puede ver en la imagen de abajo, el $\alpha_{QCD}$ disminuye con un elevado momento transferido. Esto significa que los quarks tienden a comportarse CASI como partículas libres cuando las energías son realmente altas. También se pueden ver como un gas de fermiones (quarks) y bosones (gluones).
En estas condiciones ( $\alpha \ll 1$ ), es posible una aproximación perturbativa: utilizamos pQCD (QCD perturbativa).
El plasma de quark-gluón puede obtenerse hoy en día mediante colisiones de núcleos pesados a altas energías. Esto se consigue en el CERN, por ejemplo, con el experimento ALICE, mediante colisiones Pb-Pb a $5.02$ TeV.
"Los quarks libres no pueden existir" es simplemente una simplificación de la situación real en cromodinámica cuántica (QCD). Una afirmación mejor es "Los quarks libres no pueden existir a bajas energías" donde "baja energía" significa por debajo de la escala de desconfinamiento .
Confinamiento es precisamente el fenómeno que dice que la fuerza entre dos quarks aumenta linealmente con la distancia, lo que significa que nunca se pueden separar dos quarks, ya que hacerlo requeriría una energía infinita. Ahora bien, desgraciadamente no tenemos una comprensión teórica completa del confinamiento en la QCD continua, pero lo que sí sabemos -tanto por argumentos heurísticos como por cálculos de celosía- es que la QCD exhibe una transición de fase entre un confinando fase y una desconfiguración fase a medida que aumenta la escala de energía.
Esto es no debido al acoplamiento en marcha como tal, sino al valor esperado del parámetro de orden de esta transición de fase, el bucle de Polyakov, una variante del Bucle de Wilson , pasando a ser distinto de cero. Mientras el bucle de Polyakov sea cero, la energía libre de un sistema de dos quarks es infinita, lo que significa que no pueden separarse. Los cálculos de celosía muestran, en efecto, que la transición de fase a un bucle de Polyakov distinto de cero se produce a medida que aumenta la escala de energía, por lo que en el universo caliente primitivo podrían existir quarks libres sin que ello suponga una contradicción con nuestra situación actual.
La simetría que se rompe con el bucle de Polyakov es la llamada "simetría central" de la teoría gauge en la red, véase esta pregunta .
Fernando Briano
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Este artículo en wikipedia aclara cómo ha evolucionado el universo hasta llegar a nuestra comprensión actual de la física de partículas y la relatividad general.
En particular, para las interacciones fuertes, la presente teoría es QCD, que modela los quarks y sus interacciones con otras partículas.
La QCD goza de dos propiedades peculiares:
Confinamiento, lo que significa que la fuerza entre los quarks no disminuye a medida que se separan. Por ello, cuando se separa un quark de otros quarks, la energía del campo de gluones es suficiente para crear otro par de quarks; de este modo, quedan unidos para siempre en hadrones como el protón y el neutrón o el pión y el kaón. Aunque no se ha demostrado analíticamente, se cree que el confinamiento es cierto porque explica el fracaso constante de las búsquedas de quarks libres, y es fácil de demostrar en la QCD de celosía.
Libertad asintótica, lo que significa que en las reacciones de muy alta energía, los quarks y los gluones interactúan muy débilmente creando un plasma de quarks y gluones.
El modelo actual del universo comienza con enormes energías, y a medida que se expande los constituyentes individuales se enfrían primero en una etapa en la que todas las fuerzas se unifican con todas las partículas de masa cero en un plasma de quark-gluón
A medida que el enfriamiento continúa aparecen hadrones ligados.
El plasma de quarks y gluones se estudia experimentalmente en el Experimentos del LHC.
Así, todos los modelos de la física de partículas se utilizan para el modelo del Big Bang del universo, y la creación de quarks ligados se desarrolla dentro de un modelo estándar ampliado.
Si lees el artículo verás que gran parte del modelo está todavía en fase de investigación experimental.
