Gluón

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Partícula elemental que media la fuerza fuerte

Un gluón (GLOO-on) es una partícula elemental que actúa como partícula de intercambio (o bosón de calibre) para la fuerza fuerte entre los quarks. Es análogo al intercambio de fotones en la fuerza electromagnética entre dos partículas cargadas. Los gluones unen a los quarks, formando hadrones como protones y neutrones.

Los gluones son bosones de calibre vectorial que median interacciones fuertes de quarks en la cromodinámica cuántica (QCD). Los propios gluones llevan la carga de color de la interacción fuerte. Esto es diferente al fotón, que media la interacción electromagnética pero carece de carga eléctrica. Por lo tanto, los gluones participan en la interacción fuerte además de mediarla, lo que hace que la QCD sea significativamente más difícil de analizar que la electrodinámica cuántica (QED).

Propiedades

El gluón es un bosón vectorial, lo que significa que, al igual que el fotón, tiene un giro de 1. Mientras que las partículas masivas de giro 1 tienen tres estados de polarización, los bosones de calibre sin masa como el gluón tienen solo dos estados de polarización porque la invariancia de calibre requiere la polarización sea transversal a la dirección en la que viaja el gluón. En la teoría cuántica de campos, la invariancia de calibre ininterrumpida requiere que los bosones de calibre tengan masa cero. Los experimentos limitan la masa en reposo del gluón (si la hay) a menos de unos pocos MeV/c². El gluón tiene paridad intrínseca negativa.

Contar gluones

A diferencia del fotón único de QED o los tres bosones W y Z de la interacción débil, hay ocho tipos independientes de gluones en QCD.

Sin embargo, los gluones están sujetos a los fenómenos de carga de color (de los cuales tienen combinaciones de color y anticolor). Los quarks llevan tres tipos de carga de color; los antiquarks llevan tres tipos de anticolor. Se puede pensar que los gluones llevan tanto color como anticolor. Esto da nueve combinaciones posibles de color y anticolor en gluones. La siguiente es una lista de esas combinaciones (y sus nombres esquemáticos):

rojo-antired () $rbar{r}$ ), rojo-antigreen () $rbar{g}$ ), rojo-antiblue () $rbar{b}$ )
verde - anticuado () $gbar{r}$ ), verde-antigreen () $gbar{g}$ ), verde-antiblue () $gbar{b}$ )
azul - anticuado () $bbar{r}$ ), azul-antigreen () $bbar{g}$ ), azul-antiblue () $bbar{b}$ )

Diagrama 2: e⁺e⁻ → Sí(9.46) → 3g

Estos no son los estados de color reales de los gluones observados, sino estados efectivos. Para comprender correctamente cómo se combinan, es necesario considerar las matemáticas de la carga de color con más detalle.

Estados de singlete de color

A menudo se dice que las partículas estables que interactúan fuertemente (como el protón y el neutrón, es decir, los hadrones) observadas en la naturaleza son "incoloras", pero más precisamente son de un "color camiseta" estado, que es matemáticamente análogo a un estado de espín singlete. Dichos estados permiten la interacción con otros singletes de color, pero no con otros estados de color; debido a que no existen interacciones de gluones de largo alcance, esto ilustra que los gluones en estado singulete tampoco existen.

El estado del singlete de color es:

(r{bar {r}}+b{bar {b}}+g{bar {g}})/{sqrt {3}}.

En otras palabras, si uno pudiera medir el color del estado, habría las mismas probabilidades de que fuera rojo-antirojo, azul-antiazul o verde-antiverde.

Ocho colores

Hay ocho estados de color independientes restantes, que corresponden a los "ocho tipos" o "ocho colores" de gluones. Debido a que los estados se pueden mezclar como se mencionó anteriormente, hay muchas maneras de presentar estos estados, que se conocen como el "octeto de color". Una lista de uso común es:

$(r{bar {b}}+b{bar {r}})/{sqrt {2}}$		$-i(r{bar {b}}-b{bar {r}})/{sqrt {2}}$
$(r{bar {g}}+g{bar {r}})/{sqrt {2}}$		$-i(r{bar {g}}-g{bar {r}})/{sqrt {2}}$
$(b{bar {g}}+g{bar {b}})/{sqrt {2}}$		$-i(b{bar {g}}-g{bar {b}})/{sqrt {2}}$
$(r{bar {r}}-b{bar {b}})/{sqrt {2}}$		$(r{bar {r}}+b{bar {b}}-2g{bar {g}})/{sqrt {6}}.$

Estos son equivalentes a las matrices de Gell-Mann. La característica crítica de estos ocho estados en particular es que son linealmente independientes y también independientes del estado singlete, por lo tanto, 3² − 1 o 2³. No hay forma de agregar una combinación de estos estados para producir cualquier otro, y tampoco es posible agregarlos para hacer rr, gg, o bb el estado de singlete prohibido. Hay muchas otras opciones posibles, pero todas son matemáticamente equivalentes, al menos igual de complicadas y dan los mismos resultados físicos.

Detalles de la teoría de grupos

Técnicamente, QCD es una teoría de calibre con simetría de calibre SU(3). Los quarks se introducen como espinores en sabores N_f, cada uno en la representación fundamental (triplete, denotado 3) del grupo indicador de color, SU(3). Los gluones son vectores en la representación adjunta (octetos, denotados 8) de color SU(3). Para un grupo de calibre general, el número de portadores de fuerza (como fotones o gluones) siempre es igual a la dimensión de la representación adjunta. Para el caso simple de SU(N), la dimensión de esta representación es N² − 1.

En términos de teoría de grupos, la afirmación de que no hay gluones singlete de color es simplemente la afirmación de que la cromodinámica cuántica tiene una simetría SU(3) en lugar de U(3). No existe una razón conocida a priori para preferir un grupo sobre el otro, pero como se discutió anteriormente, la evidencia experimental respalda SU(3). Si el grupo fuera U(3), el noveno gluón (singlete incoloro) se comportaría como un "segundo fotón" y no como los otros ocho gluones.

Confinamiento

Dado que los gluones por sí mismos llevan una carga de color, participan en fuertes interacciones. Estas interacciones gluón-gluón restringen los campos de color a objetos similares a cuerdas llamados "tubos de flujo", que ejercen una fuerza constante cuando se estiran. Debido a esta fuerza, los quarks están confinados dentro de partículas compuestas llamadas hadrones. Esto limita efectivamente el rango de la interacción fuerte a 1×10⁻¹⁵ metros, aproximadamente del tamaño de un nucleón. Más allá de cierta distancia, la energía del tubo de flujo que une dos quarks aumenta linealmente. A una distancia lo suficientemente grande, se vuelve energéticamente más favorable sacar un par quark-antiquark del vacío en lugar de aumentar la longitud del tubo de flujo.

Los gluones también comparten esta propiedad de estar confinados dentro de los hadrones. Una consecuencia es que los gluones no están directamente involucrados en las fuerzas nucleares entre los hadrones. Los mediadores de fuerza para estos son otros hadrones llamados mesones.

Aunque en la fase normal de QCD, los gluones individuales pueden no viajar libremente, se predice que existen hadrones que están formados completamente por gluones, llamados bolas de pegamento. También hay conjeturas sobre otros hadrones exóticos en los que los gluones reales (a diferencia de los virtuales que se encuentran en los hadrones ordinarios) serían constituyentes primarios. Más allá de la fase normal de QCD (a temperaturas y presiones extremas), se forma plasma de quarks-gluones. En tal plasma no hay hadrones; los quarks y los gluones se convierten en partículas libres.

Observaciones experimentales

Los quarks y gluones (coloreados) se manifiestan fragmentándose en más quarks y gluones, que a su vez se hadronizan en partículas normales (incoloras), correlacionadas en chorros. Como se reveló en las conferencias de verano de 1978, el detector PLUTO en el colisionador de electrones y positrones DORIS (DESY) produjo la primera evidencia de que las desintegraciones hadrónicas de la resonancia muy estrecha Υ (9.46) podrían interpretarse como topologías de eventos de tres chorros producidos por tres gluones.. Más tarde, los análisis publicados por el mismo experimento confirmaron esta interpretación y también la naturaleza de espín = 1 del gluón (ver también los experimentos de recuerdo y PLUTÓN).

En el verano de 1979, a energías más altas en el colisionador de electrones y positrones PETRA (DESY), nuevamente se observaron topologías de tres chorros, ahora interpretadas como qq gluon bremsstrahlung, ahora claramente visible, por los experimentos TASSO, MARK-J y PLUTO (más tarde en 1980 también por JADE). La propiedad spin = 1 del gluón fue confirmada en 1980 por los experimentos TASSO y PLUTO (ver también la revisión). En 1991, un experimento posterior en el anillo de almacenamiento LEP del CERN volvió a confirmar este resultado.

Los gluones juegan un papel importante en las interacciones fuertes elementales entre quarks y gluones, descritas por QCD y estudiadas particularmente en el colisionador de electrones y protones HERA en DESY. El número y la distribución del momento de los gluones en el protón (densidad de gluones) se han medido mediante dos experimentos, H1 y ZEUS, en los años 1996–2007. La contribución del gluón al espín del protón ha sido estudiada por el experimento HERMES en HERA. También se ha medido la densidad de gluones en el protón (cuando se comporta hadrónicamente).

El confinamiento de color se verifica por el fracaso de las búsquedas de quarks libres (búsquedas de cargas fraccionarias). Los quarks normalmente se producen en pares (quark + antiquark) para compensar los números cuánticos de color y sabor; sin embargo, en Fermilab se ha demostrado una sola producción de quarks top. No se ha demostrado bola de pegamento.

El desconfinamiento se reivindicó en 2000 en el CERN SPS en colisiones de iones pesados, e implica un nuevo estado de la materia: plasma de quarks-gluones, menos interactivo que en el núcleo, casi como en un líquido. Se encontró en el colisionador de iones pesados relativistas (RHIC) en Brookhaven en los años 2004-2010 mediante cuatro experimentos contemporáneos. Un estado de plasma de quarks-gluones ha sido confirmado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN por los tres experimentos ALICE, ATLAS y CMS en 2010.

La instalación aceleradora de haz de electrones continuos de Jefferson Lab, en Newport News, Virginia, es una de las 10 instalaciones del Departamento de Energía que investigan gluones. El laboratorio de Virginia estaba compitiendo con otra instalación, el Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Long Island, Nueva York, por fondos para construir un nuevo colisionador de iones de electrones. En diciembre de 2019, el Departamento de Energía de EE. UU. seleccionó el Laboratorio Nacional de Brookhaven para albergar el colisionador de iones de electrones.

Recursos externos

Grande Think website, clear explanation of the QCD Octet

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