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Articulo de referencia

Gluón

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Un gluón ( / ˈ ɡ l uː ɒ n / GLOO -on ) es un tipo de partícula elemental sin masa que media la interacción fuerte entre quarks , actuando como partícula de intercambio para la interacción. Los gluones son bosones vectoriales sin masa , por lo que tienen un espín de 1. [ 7 ] A través de la interacción fuerte, los gluones unen quarks en grupos según la cromodinámica cuántica (QCD), formando hadrones como protones y neutrones .

Los gluones portan la carga de color de la interacción fuerte, participando así en ella y, a la vez, mediéndola. Debido a que los gluones portan la carga de color, la cromodinámica cuántica (QCD) es más difícil de analizar en comparación con la electrodinámica cuántica (QED), donde el fotón no tiene carga eléctrica.

El término fue acuñado por Murray Gell-Mann en 1962 [ a ] por ser similar a un adhesivo o pegamento que mantiene unido el núcleo. [ 9 ] Junto con los quarks, estas partículas fueron denominadas partones por Richard Feynman . [ 10 ]

Propiedades

El gluón es un bosón vectorial , lo que significa que tiene un espín de 1 ħ . Mientras que las partículas masivas de espín 1 tienen tres estados de polarización, los bosones de gauge sin masa como el gluón tienen solo dos estados de polarización porque la invariancia de gauge requiere que la polarización del campo sea transversal a la dirección en la que viaja el gluón. En la teoría cuántica de campos , la invariancia de gauge no rota requiere que los bosones de gauge tengan masa cero. Los experimentos limitan la masa en reposo del gluón (si la hay) a menos de unos pocos MeV/ c 2 . El gluón tiene paridad intrínseca negativa . 

Contando gluones

En la cromodinámica cuántica (QCD) existen ocho tipos independientes de gluones. Esto difiere del fotón de la electrodinámica cuántica (QED) o de los tres bosones W y Z de la interacción débil .

Además, los gluones están sujetos al fenómeno de la carga de color . Los quarks poseen tres tipos de carga de color; los antiquarks, tres tipos de anticolor. Los gluones poseen tanto carga de color como de anticolor. Esto da lugar a nueve combinaciones posibles de color y anticolor en los gluones. A continuación se presenta una lista de dichas combinaciones (y sus nombres esquemáticos):

  • rojo-antirojo ( r r ), rojo-antiverde ( r g ), rojo-antiazul ( r b )
  • verde-antirojo ( g r ), verde-antiverde ( g g ), verde-antiazul ( g b )
  • azul-antirojo ( br ) , azul-antiverde ( bg ) , azul-antiazul ( bb )
Diagrama 2: e + e − → Υ(9.46) → 3g

Estas posibles combinaciones son solo estados efectivos , no los estados de color reales observados de los gluones. Para comprender cómo se combinan, es necesario analizar con mayor detalle las matemáticas de la carga de color.

Estados de camisetas sin mangas de color

Se observa que las partículas estables con interacción fuerte, incluidos los hadrones como el protón o el neutrón, son "incoloras". Más precisamente, se encuentran en un estado "singlete de color", matemáticamente análogo a un estado singlete de espín . [ 11 ] Estos estados permiten la interacción con otros singletes de color, pero no con otros estados de color; dado que no existen interacciones de gluones de largo alcance, esto demuestra que los gluones en el estado singlete tampoco existen. [ 11 ]

El estado singlete de color es: [ 11 ]

(rr¯+bb¯+gramogramo¯)/3.{\displaystyle (r{\bar {r}}+b{\bar {b}}+g{\bar {g}})/{\sqrt {3}}.}

Si se pudiera medir el color del estado, habría la misma probabilidad de que fuera rojo-antirojo, azul-antiazul o verde-antiverde.

Ocho estados de color

Quedan ocho estados de color independientes que corresponden a los "ocho tipos" u "ocho colores" de gluones. Dado que los estados se pueden mezclar, existen múltiples formas de presentarlos. Estos se conocen como el "octeto de color", y una lista comúnmente utilizada para cada uno es: [ 11 ]

Estas son equivalentes a las matrices de Gell-Mann . La característica crítica de estos ocho estados particulares es que son linealmente independientes , y también independientes del estado singlete, por lo tanto 3 2 − 1 o 2 3 . No hay forma de sumar ninguna combinación de estos estados para producir otros. También es imposible sumarlos para hacer r r , g g , o b b [ 12 ] el estado 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

Formalmente, QCD es una teoría de gauge con simetría de gauge SU(3) . Los quarks se introducen como espinores en N f sabores , cada uno en la representación fundamental (triplete, denotado 3 ) del grupo de gauge de color, SU(3). Los gluones son vectores en la representación adjunta (octetos, denotados 8 ) del color SU(3). Para un grupo de gauge 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 n 2 − 1 .

En la teoría de grupos, no existen gluones singlete de color porque la cromodinámica cuántica tiene una simetría SU(3) en lugar de una U(3) . No se conoce ninguna razón a priori para que un grupo sea preferido sobre el otro, pero como se mencionó anteriormente, la evidencia experimental apoya SU(3). [ 11 ] Si el grupo fuera U(3), el noveno gluón (singlete incoloro) se comportaría como un "segundo fotón" y no como los otros ocho gluones. [ 13 ]

Confinamiento

A grandes distancias, los tubos de flujo se "rompen" y provocan la formación de un par quark-antiquark.

Dado que los gluones mismos portan carga de color, participan en interacciones fuertes. Estas interacciones gluón-gluón confinan 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 alcance de la interacción fuerte a10⁻¹⁵ m  , aproximadamente el tamaño de un nucleón . Más allá de cierta distancia, la energía del tubo de flujo que une dos quarks aumenta linealmente. A una distancia suficientemente grande, resulta energéticamente más favorable extraer un par quark-antiquark del vacío que aumentar la longitud del tubo de flujo.

Una consecuencia de la propiedad de confinamiento hadrónico de los gluones es que no participan directamente en las fuerzas nucleares entre hadrones. Los mediadores de estas fuerzas son otros hadrones llamados mesones .

Aunque en la fase normal de la cromodinámica cuántica (QCD) los gluones individuales no se desplazan libremente, se predice la existencia de hadrones formados enteramente por gluones, denominados glueballs . También existen conjeturas sobre otros hadrones exóticos en los que los gluones reales (a diferencia de los virtuales presentes en los hadrones ordinarios) serían los constituyentes primarios. Más allá de la fase normal de la QCD (a temperaturas y presiones extremas), se forma un plasma de quarks y gluones . En dicho plasma no existen 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, [ 2 ] el detector PLUTO en el colisionador electrón-positrón DORIS ( DESY ) produjo la primera evidencia de que las desintegraciones hadrónicas de la resonancia muy estrecha Υ(9.46) podían interpretarse como topologías de eventos de tres chorros producidas por tres gluones. Posteriormente, análisis publicados por el mismo experimento confirmaron esta interpretación y también la naturaleza de espín  =  1 del gluón [ 14 ] [ 15 ] (véase también la recopilación [ 2 ] y los experimentos PLUTO ).

En el verano  de 1979, a energías más altas en el colisionador electrón-positrón PETRA (DESY), se observaron nuevamente topologías de tres chorros, ahora claramente visibles e interpretadas como bremsstrahlung de gluones q q , por los experimentos TASSO , [ 16 ] MARK-J [ 17 ] y PLUTO [ 18 ] (más tarde en 1980 también por JADE [ 19 ] ). La propiedad de espín = 1 del gluón fue confirmada en 1980 por los experimentos TASSO [ 20 ] y PLUTO [ 21 ] (véase también la revisión [ 3 ] ). En 1991 un experimento posterior en el anillo de almacenamiento LEP en el CERN confirmó nuevamente este resultado. [ 22 ]  

Los gluones desempeñan un papel importante en las interacciones fuertes elementales entre quarks y gluones, descritas por la cromodinámica cuántica (QCD) y estudiadas particularmente en el colisionador electrón-protón HERA en DESY. El número y la distribución de momento de los gluones en el protón (densidad de gluones) se midieron mediante dos experimentos, H1 y ZEUS , [ 23 ] entre 1996 y 2007. La contribución de los gluones al espín del protón se estudió mediante el experimento HERMES en HERA. [ 24 ] También se midió la densidad de gluones en el fotón (cuando se comporta hadrónicamente). [ 25 ]

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 la producción individual de quarks top . [ b ] [ 26 ] No se ha demostrado la existencia de glueball .

En el año 2000, se afirmó la existencia de un desconfinamiento en el SPS del CERN [ 27 ] en colisiones de iones pesados , lo que implica un nuevo estado de la materia: plasma de quarks y gluones , menos interactivo que en el núcleo , casi como en un líquido. Este estado fue descubierto en el Colisionador Relativista de Iones Pesados ​​(RHIC) de Brookhaven entre 2004 y 2010 por cuatro experimentos simultáneos. [ 28 ] En 2010, los tres experimentos ALICE , ATLAS y CMS confirmaron un estado de plasma de quarks y gluones en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN . [ 29 ]

El acelerador de haz de electrones continuo del Laboratorio Jefferson , en Newport News, Virginia , [ c ] es una de las 10 instalaciones del Departamento de Energía que realizan investigaciones sobre gluones. El laboratorio de Virginia competía con otra instalación, el Laboratorio Nacional Brookhaven , en Long Island, Nueva York, por fondos para construir un nuevo colisionador de electrones e iones . [ 30 ] En diciembre de 2019, el Departamento de Energía de EE. UU. seleccionó al Laboratorio Nacional Brookhaven para albergar el colisionador de electrones e iones . [ 31 ] 

Véase también

Notas a pie de página

  1. ↑ En una entrevista, Gell-Mann dijo que cree que el término fue acuñado por Edward Teller . [ 8 ]
  2. ↑ Técnicamente, la producción de un solo quark top en Fermilab todavía implica la producción de un par, pero el quark y el antiquark son de sabores diferentes.
  3. ↑ Jefferson Lab es un apodo para el Centro Nacional de Aceleradores Thomas Jefferson en Newport News, Virginia .

Referencias

  1. ↑ M. Gell-Mann (1962). "Simetrías de bariones y mesones" (PDF) . Physical Review . 125 (3): 1067–1084 . Bibcode : 1962PhRv..125.1067G . doi : 10.1103/PhysRev.125.1067 . Archivado (PDF) del original el 21 de octubre de 2012 .Esto, sin embargo, no hace referencia al color. Para el uso moderno, véase Fritzsch, H.; Gell-Mann, M.; Leutwyler, H. (noviembre de 1973). "Ventajas de la imagen del gluón del octeto de color". Physics Letters B. 47 ( 4): 365–368 . Bibcode : 1973PhLB...47..365F . CiteSeerX 10.1.1.453.4712 . doi : 10.1016/0370-2693(73)90625-4 . 
  2. 1 2 3 B.R. Stella y H.-J. Meyer (2011). "Υ(9,46 GeV) y el descubrimiento del gluón (una revisión crítica de los resultados de PLUTO)". European Physical Journal H . 36 (2): 203– 243. arXiv : 1008.1869v3 . Bibcode : 2011EPJH...36..203S . doi : 10.1140/epjh/e2011-10029-3 . S2CID 119246507 . 
  3. 1 2 P. Söding (2010). "Sobre el descubrimiento del gluón" . European Physical Journal H. 35 ( 1): 3– 28. Bibcode : 2010EPJH...35....3S . doi : 10.1140/epjh/e2010-00002-5 . S2CID 8289475 . 
  4. ↑ "¿Por qué hay ocho gluones?" .
  5. 1 2 3 W.-M. Yao; et al. ( Particle Data Group ) (2006). "Revisión de la física de partículas" . Journal of Physics G . 33 (1): 1. arXiv : astro-ph/0601168 . Bibcode : 2006JPhG...33....1Y . doi : 10.1088/0954-3899/33/1/001 . 
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  8. ↑ Gell-Mann, Murray (1997). "El partón de Feynman" (Entrevista). N.° 131. Entrevistado por Geoffrey West. 
  9. ↑ Garisto, Daniel (30 de mayo de 2017). "Una breve etimología de la física de partículas | Revista Symmetry" . Revista Symmetry . Consultado el 2 de febrero de 2024 .
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  30. ↑ Nolan, Jim (19 de octubre de 2015). "El estado espera un gran impulso económico mientras Jeff Lab solicita un colisionador de iones" . Richmond Times-Dispatch . págs. A1, A7 . Consultado el 19 de octubre de 2015. Esas pistas pueden dar a los científicos una mejor comprensión de lo que mantiene unido el universo. 
  31. ↑ "El Departamento de Energía de EE. UU. selecciona al Laboratorio Nacional de Brookhaven para albergar una nueva e importante instalación de física nuclear" (Comunicado de prensa). DOE . 9 de enero de 2020. Consultado el 1 de junio de 2020 .

Lecturas adicionales

  • A. Ali y G. Kramer (2011). "JETS y QCD: Una revisión histórica del descubrimiento de los chorros de quarks y gluones y su impacto en QCD". European Physical Journal H. 36 ( 2): 245– 326. arXiv : 1012.2288 . Bibcode : 2011EPJH...36..245A . doi : 10.1140/epjh/e2011-10047-1 . S2CID 54062126 . 
  • Material complementario de Cambridge n.° 8  : Cromodinámica cuántica – Física de partículas

Recursos externos

  • Sitio web de Big Think, explicación clara del octeto QCD.
  • ¿Por qué hay ocho gluones y no nueve?