Confinement

Confinement is het fenomeen in de natuurkunde dat deeltjes met kleurlading, in het bijzonder quarks, niet kunnen worden afgezonderd, zodat ze niet apart kunnen worden waargenomen.^[1] Quarks bestaan dus alleen in groepjes, zodat ze kunnen samenklitten om kleurloze objecten te vormen. Zo heeft men hadronen: de baryonen, die uit drie quarks bestaan van de drie verschillende kleuren, en mesonen, die bestaan uit een quark met een zekere kleur en een anti-quark met dezelfde anti-kleur. De quarks waaruit hadronen zijn opgebouwd kunnen nooit uit hun hadron worden losgemaakt, zodat quarks niet anders kunnen worden waargenomen of bestudeerd dan in hadronen.^[2]

Er is in de kwantumchromodynamica nog geen theorie opgesteld, die confinement verklaart. Men kan zeggen dat de kleurlading van de gluonen er aan ten grondslag ligt.

Als men twee elektrisch geladen deeltjes uit elkaar haalt, zal het elektrische veld tussen de twee snel afnemen, zodat bijvoorbeeld elektronen uit een atoom kunnen worden gehaald. De interactie tussen geladen deeltjes wordt in de leer van het elektromagnetisme beschreven als de uitwisseling van fotonen. Als de deeltjes verder uit elkaar gaan, wordt deze uitwisseling moeilijker en wordt de interactie zwakker. Bij kleurlading wordt de interactie overgedragen door gluonen. Aangezien deze zelf kleurlading hebben, interageren ze ook met elkaar. Hierdoor verloopt de interactie tussen twee quarks door een buis of string van gluonen. Deze buis fungeert als een soort rubberen band die meer tegenwerkt naarmate de quarks verder uit elkaar gaan. Het resultaat is, dat de kracht waarmee de quarks elkaar aantrekken, niet afneemt met de afstand, maar constant blijft.

Indien men toch zou proberen quarks te scheiden, zoals gebeurt tijdens botsingen in een deeltjesversneller, zal er een punt komen waarop de verbinding tussen de quarks breekt. Dit gebeurt als er in het gluonveld tussen de twee voldoende energie zit om een nieuw quark-anti-quarkpaar te creëren. De twee nieuwe deeltjes zullen samen met de gescheiden quarks twee kleurloze objecten vormen. Hierdoor neemt men in deeltjesversnellers jets van hadronen waar. Dit proces heet hadronisatie en het is een van minst begrepen processen in de deeltjesfysica.

Vanaf een zekere temperatuur ontstaat een nieuwe fase: het quark-gluonplasma. In die fase bestaan de quarks en de gluonen als vrije deeltjes, dus is er geen confinement meer. Aangezien de energie van een dergelijk plasma zeer hoog is, is de interactie tussen de deeltjes zwak, vanwege asymptotische vrijheid.

De fase met confinement wordt meestal gedefinieerd volgens het gedrag van de actie van de wilsonlus, de actie van een quark-anti-quarkpaar die een lus beschrijven in de ruimtetijd. In een theorie zonder confinement is deze actie evenredig met de lengte van de lus, terwijl ze in een theorie mét confinement evenredig is met de oppervlakte. In het laatste geval betekent dit dat het uit elkaar trekken van twee quarks meer energie kost, de oppervlakte van de lus wordt groter, zodat er confinement is.

Confinement is typisch voor alle niet-commutatieve ijktheorieën zonder spontane symmetriebreking. Compacte kwantumelektrodynamica, QED op een rooster, in twee en drie ruimtetijdsdimensies hebben ook confinement.