En la física de partículas , una bola de gluones (también gluonium , gluon-ball ) es un compuesto hipotético de partículas . [1] Consiste únicamente en partículas de gluones , sin quarks de valencia . Tal estado es posible porque los gluones llevan carga de color y experimentan una fuerte interacción entre ellos. Las bolas de pegamento son extremadamente difíciles de identificar en los aceleradores de partículas , porque se mezclan con estados de mesones ordinarios . [2]
Los cálculos teóricos muestran que las bolas de pegamento deberían existir en rangos de energía accesibles con la tecnología actual de colisionadores . Sin embargo, debido a la dificultad antes mencionada (entre otras), hasta ahora no se han observado e identificado con certeza, [3] aunque los cálculos fenomenológicos han sugerido que un candidato de bola de pegamento identificado experimentalmente, denotado, tiene propiedades consistentes con las esperadas de una bola de pegamento modelo estándar. [4]
La predicción de que existen bolas de pegamento es una de las predicciones más importantes del Modelo Estándar de física de partículas que aún no se ha confirmado experimentalmente. [5] Las bolas de pegamento son las únicas partículas predichas por el modelo estándar con momento angular total ( J ) (a veces llamado "espín intrínseco") que podría ser 2 o 3 en sus estados fundamentales.
La evidencia experimental fue anunciada en 2021 por la colaboración TOTEM en el LHC en colaboración con la colaboración DØ en el antiguo colisionador Tevatron en Fermilab . A-tres gluon odderon (estado de número impar de gluones) de cambio asociado con un quarkless de tres gluon vector bola de gluones se identificó en el protón-protón y protón-antiprotón dispersión. [6] [7]
Propiedades
En principio, es teóricamente posible que todas las propiedades de las bolas de pegamento se calculen con exactitud y se deriven directamente de las ecuaciones y constantes físicas fundamentales de la cromodinámica cuántica (QCD) sin más aportaciones experimentales. Por lo tanto, las propiedades predichas de estas partículas hipotéticas se pueden describir con exquisito detalle utilizando solo la física del Modelo Estándar que tiene una amplia aceptación en la literatura de física teórica. Pero existe una incertidumbre considerable en la medición de algunas de las constantes físicas clave relevantes, y los cálculos de QCD son tan difíciles que las soluciones a estas ecuaciones son casi siempre aproximaciones numéricas (calculadas usando varios métodos muy diferentes). Esto puede provocar variaciones en las predicciones teóricas de las propiedades de la bola de cola, como las proporciones de masa y ramificación en las desintegraciones de la bola de cola.
Partículas constituyentes y carga de color
Los estudios teóricos de las bolas de cola se han centrado en bolas de cola que constan de dos o tres gluones, por analogía con los mesones y bariones que tienen dos y tres quarks, respectivamente. Como en el caso de los mesones y bariones, las bolas de pegamento serían neutrales con carga de color QCD . El número de bariones de una bola de pegamento es cero.
Momento angular total
Las bolas de pegamento de doble gluón pueden tener un momento angular total J = 0 (que son escalares o pseudoescalares ) o J = 2 ( tensor ). Las bolas de pegamento de triple gluón pueden tener un momento angular total J = 1 ( bosón vectorial ) o 3 ( bosón tensorial de tercer orden ). Todas las bolas de pegamento tienen un momento angular total entero, lo que implica que son bosones en lugar de fermiones .
Las bolas de pegamento son las únicas partículas predichas por el modelo estándar con momento angular total ( J ) (a veces llamado "espín intrínseco" ) que podría ser 2 o 3 en sus estados fundamentales, aunque los mesones están compuestos por dos quarks con J = 0 y J = 1 con masas similares se han observado y estados excitados de otros mesones pueden tener estos valores de momento angular total.
Carga eléctrica
Todas las bolas de pegamento tendrían una carga eléctrica de cero, ya que los gluones mismos no tienen carga eléctrica.
Misa y paridad
La cromodinámica cuántica predice que las bolas de pegamento son masivas, a pesar de que los propios gluones tienen masa en reposo cero en el modelo estándar. Se han considerado bolas de pegamento con las cuatro combinaciones posibles de números cuánticos P ( paridad espacial ) y C ( paridad de carga ) para cada momento angular total posible, produciendo al menos quince estados de bola de pegamento posibles, incluidos estados excitados de bola de pegamento que comparten los mismos números cuánticos pero tienen diferentes masas con los estados más ligeros que tienen masas tan bajas como 1.4 GeV / c 2 (para una bola de pegamento con números cuánticos J = 0, P = +1, C = +1, o equivalentemente J PC = 0 ++ ), y los estados más pesados tener masas tan grandes como casi 5 GeV / c 2 (para una bola de pegamento con números cuánticos J = 0, P = +1, C = −1 o J PC = 0 + - ). [3]
Estas masas están en el mismo orden de magnitud que las masas de muchos mesones y bariones observados experimentalmente , así como las masas del leptón tau , el quark charm , el quark inferior , algunos isótopos de hidrógeno y algunos isótopos de helio .
Canales de estabilidad y decaimiento
Así como todos los mesones y bariones del modelo estándar, excepto quizás el protón, son inestables de forma aislada, el modelo estándar predice que todas las bolas de pegamento son inestables de forma aislada, con varios cálculos de QCD que predicen el ancho total de desintegración (que está funcionalmente relacionado con la mitad) life) para varios estados de bolas de pegamento. Los cálculos de QCD también hacen predicciones con respecto a los patrones de descomposición esperados de las bolas de pegamento. [8] [9] Por ejemplo, las bolas de pegamento no tendrían desintegraciones radiativas o de dos fotones, pero tendrían desintegraciones en pares de piones , pares de kaones o pares de mesones eta . [8]
Impacto práctico en la física macroscópica de bajas energías
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/a/af/Feynmann_Diagram_Glueball-to-Pion.svg/220px-Feynmann_Diagram_Glueball-to-Pion.svg.png)
π
). Estas desintegraciones ayudan al estudio y la búsqueda de bolas de pegamento. [10]
Debido a que las bolas de pegamento del modelo estándar son tan efímeras (que se descomponen casi inmediatamente en productos de descomposición más estables) y solo se generan en la física de alta energía, las bolas de pegamento solo surgen sintéticamente en las condiciones naturales que se encuentran en la Tierra y que los humanos pueden observar fácilmente. Son científicamente notables principalmente porque son una predicción comprobable del modelo estándar, y no por el impacto fenomenológico en los procesos macroscópicos o sus aplicaciones de ingeniería .
Simulaciones de celosía QCD
Lattice QCD proporciona una forma de estudiar el espectro de la bola de pegamento teóricamente y desde los primeros principios. Algunas de las primeras cantidades calculadas utilizando métodos QCD de celosía (en 1980) fueron estimaciones de masa de bolas de pegamento. [11] Morningstar y Peardon [12] calcularon en 1999 las masas de las bolas de cola más ligeras en QCD sin quarks dinámicos. Los tres estados más bajos se tabulan a continuación. La presencia de quarks dinámicos alteraría levemente estos datos, pero también dificulta los cálculos. Desde entonces, los cálculos de tiempo dentro de QCD (reglas de celosía y suma) encuentran que la bola de pegamento más ligera es un escalar con una masa en el rango de aproximadamente 1000-1700 MeV. [3]
J P ' C | masa |
---|---|
0 ++ | 1730 ± 80 MeV |
2 ++ | 2400 ± 120 MeV |
0 - + | 2590 ± 130 MeV |
Candidatos experimentales
Los experimentos con aceleradores de partículas a menudo pueden identificar partículas compuestas inestables y asignar masas a esas partículas con una precisión de aproximadamente 10 MeV / c 2 , sin poder asignar inmediatamente a la resonancia de partículas que se observa todas las propiedades de esa partícula. Se han detectado decenas de tales partículas, aunque las partículas detectadas en algunos experimentos pero no en otros pueden considerarse dudosas. Algunas de las resonancias de partículas candidatas que podrían ser bolas de pegamento, aunque la evidencia no es definitiva, incluyen las siguientes:
Candidatos de bola de pegamento vectorial, pseudovectorial o tensorial
- X (3020) observado por la colaboración BaBar es un candidato para un estado excitado de los estados de bola de pegamento J PC = 2 - + , 1 + - o 1 −− con una masa de aproximadamente 3.02 GeV / c 2 . [5]
Candidatos escalares de bolas de pegamento
- f 0 (500) también conocido como σ - las propiedades de esta partícula son posiblemente consistentes con una bola de cola de masa de 1000 MeV o 1500 MeV. [3]
- f 0 (980) - la estructura de esta partícula compuesta es consistente con la existencia de una bola de pegamento ligera. [3]
- f 0 (1370) - la existencia de esta resonancia está en disputa pero es un candidato para un estado de mezcla de mesón-bola de pegamento [3]
- f 0 (1500): la existencia de esta resonancia es indiscutible, pero su estado como estado de mezcla de bola de pegamento-mesón o bola de pegamento pura no está bien establecido. [3]
- f 0 (1710) - la existencia de esta resonancia es indiscutible, pero su estado como estado de mezcla de bola de pegamento-mesón o bola de pegamento pura no está bien establecido. [3]
Otros candidatos
- Los chorros de gluones en el experimento LEP muestran un exceso del 40% sobre las expectativas teóricas de los cúmulos electromagnéticamente neutros, lo que sugiere que es probable que estén presentes partículas electromagnéticamente neutras que se esperan en entornos ricos en gluones, como las bolas de pegamento. [3]
Muchos de estos candidatos han sido objeto de una investigación activa durante al menos dieciocho años. [8] El experimento GlueX ha sido diseñado específicamente para producir evidencia experimental más definitiva de bolas de pegamento. [13]
Ver también
- Mesón exótico
- GlueX
- Gluón
- Teoría de Yang-Mills
Referencias
- ^ Frank Close y Phillip R. Page, "Glueballs", Scientific American , vol. 279 no. 5 (noviembre de 1998) págs. 80–85
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