Confinamiento de color

La fuerza de color favorece el confinamiento porque en cierto rango es más energéticamente favorable para crear un par quark-antiquark que para continuar elongate el tubo de flujo de color. Esto es análogo al comportamiento de una banda de goma alargada.

Una animación del confinamiento de color. Si la energía se suministra a los quarks como se muestra, el tubo de gluón se alarga hasta llegar a un punto en el que "snaps" y forma un par quark-antiquark. Así los quarks individuales nunca se ven en aislamiento.

En la cromodinámica cuántica (QCD), el confinamiento de color, a menudo llamado simplemente confinamiento, es el fenómeno por el cual las partículas cargadas de color (como los quarks y los gluones) no se pueden aislar., y por lo tanto no se puede observar directamente en condiciones normales por debajo de la temperatura de Hagedorn de aproximadamente 2 terakelvin (que corresponde a energías de aproximadamente 130-140 MeV por partícula). Los quarks y gluones deben agruparse para formar hadrones. Los dos tipos principales de hadrones son los mesones (un quark, un antiquark) y los bariones (tres quarks). Además, las bolas de pegamento incoloras formadas solo por gluones también son compatibles con el confinamiento, aunque son difíciles de identificar experimentalmente. Los quarks y los gluones no pueden separarse de su hadrón padre sin producir nuevos hadrones.

Origen

Todavía no existe una prueba analítica del confinamiento del color en ninguna teoría de calibre no abeliana. El fenómeno se puede entender cualitativamente observando que los gluones de QCD que transportan fuerzas tienen carga de color, a diferencia de los fotones de la electrodinámica cuántica (QED). Mientras que el campo eléctrico entre partículas cargadas eléctricamente disminuye rápidamente a medida que esas partículas se separan, el campo de gluones entre un par de cargas de color forma un estrecho tubo de flujo (o cuerda) entre ellas. Debido a este comportamiento del campo de gluones, la fuerza intensa entre las partículas es constante independientemente de su separación.

Por lo tanto, a medida que se separan dos cargas de color, en algún momento se vuelve energéticamente favorable para que aparezca un nuevo par quark-antiquark, en lugar de extender más el tubo. Como resultado, cuando los quarks se producen en los aceleradores de partículas, en lugar de ver los quarks individuales en los detectores, los científicos ven "chorros" de muchas partículas de color neutro (mesones y bariones), agrupadas. Este proceso se llama hadronización, fragmentación o rotura de cuerdas.

La fase de confinamiento generalmente se define por el comportamiento de la acción del bucle de Wilson, que es simplemente el camino en el espacio-tiempo trazado por un par quark-antiquark creado en un punto y aniquilado en otro punto. En una teoría no confinante, la acción de dicho bucle es proporcional a su perímetro. Sin embargo, en una teoría de confinamiento, la acción del bucle es proporcional a su área. Dado que el área es proporcional a la separación del par quark-antiquark, se suprimen los quarks libres. Los mesones están permitidos en tal imagen, ya que un bucle que contiene otro bucle con la orientación opuesta tiene solo un área pequeña entre los dos bucles. A temperaturas distintas de cero, el operador de orden para el confinamiento son las versiones térmicas de los bucles de Wilson conocidos como bucles de Polyakov.

Escala de confinamiento

La escala de confinamiento o la escala QCD es la escala en la que la constante de acoplamiento fuerte definido perturbadoramente se divierte. Esto se conoce como el polo de Landau. Por consiguiente, la definición y el valor de la escala de confinamiento dependen del esquema de renormalización utilizado. Por ejemplo, en el esquema MS-bar y en 4-lazos en el funcionamiento de α α s{displaystyle alpha _{s}}, el promedio mundial en el caso de 3 sabores es dado por

▪ ▪ MS̄ ̄ ()3)=()332± ± 17)MeV.{displaystyle Lambda _{overline {MS}{(3)}=(332pm 17),{rm {{MeV},}}}

Cuando la ecuación del grupo de renormalización se resuelve exactamente, la escala no se define en absoluto. Por lo tanto, se acostumbra citar el valor de la constante de acoplamiento fuerte en una escala de referencia particular.

A veces se cree que el único origen del confinamiento es el gran valor del fuerte acoplamiento cerca del polo de Landau. Esto a veces se denomina esclavitud infrarroja (un término elegido para contrastar con la libertad ultravioleta). Sin embargo, es incorrecto ya que en QCD el polo de Landau no es físico, lo que se puede ver por el hecho de que su posición en la escala de confinamiento depende en gran medida del esquema de renormalización elegido, es decir, de una convención. La mayoría de las evidencias apuntan a un acoplamiento moderadamente grande, típicamente de valor 1-3 dependiendo de la elección del esquema de renormalización. En contraste con el mecanismo simple pero erróneo de la esclavitud infrarroja, un gran acoplamiento es solo un ingrediente para el confinamiento del color, el otro es que los gluones están cargados de color y por lo tanto, puede colapsar en tubos de gluones.

Modelos exhibiendo encierro

Además de QCD en cuatro dimensiones del espacio-tiempo, el modelo bidimensional de Schwinger también presenta confinamiento. Las teorías de calibre abelianas compactas también exhiben confinamiento en 2 y 3 dimensiones del espacio-tiempo. Se ha encontrado confinamiento en excitaciones elementales de sistemas magnéticos llamados espinones.

Si se redujera la escala de ruptura de simetría electrodébil, la interacción SU(2) ininterrumpida eventualmente se volvería restrictiva. Los modelos alternativos donde SU(2) se convierte en confinamiento por encima de esa escala son cuantitativamente similares al modelo estándar a energías más bajas, pero dramáticamente diferentes por encima de la ruptura de simetría.

Modelos de quarks completamente apantallados

Además de la idea del confinamiento de los quarks, existe la posibilidad potencial de que la carga de color de los quarks quede completamente oculta por el color gluónico que rodea al quark. Se han encontrado soluciones exactas de la teoría clásica de Yang-Mills SU (3) que proporcionan una detección completa (mediante campos de gluones) de la carga de color de un quark. Sin embargo, estas soluciones clásicas no tienen en cuenta las propiedades no triviales del vacío QCD. Por lo tanto, no está clara la importancia de tales soluciones de cribado gluónico completo para un quark separado.