A gluon ( / ɡ l U ɒ n / ) es una partícula elemental que actúa como la partícula de cambio (o de Higgs calibre ) para la fuerza fuerte entre quarks . Es análogo al intercambio de fotones en la fuerza electromagnética entre dos partículas cargadas . [6] En términos simples, "pegan" quarks juntos, formando hadrones como protones y neutrones .
Composición | Partícula elemental |
---|---|
Estadísticas | Bosónico |
Interacciones | Fuerte interacción |
Símbolo | gramo |
Teorizado | Murray Gell-Mann (1962) [1] |
Descubierto | e + e - → Υ (9.46) → 3g: 1978 en DORIS ( DESY ) por experimentos PLUTO (ver diagrama 2 y recuerdo [2] ) y |
Tipos | 8 |
Masa | 0 (valor teórico) [4] <1,3 meV /(límite experimental) [5] [4] |
Carga eléctrica | 0 e [4] |
Carga de color | octeto (8 tipos linealmente independientes ) |
Girar | 1 |
En términos técnicos, los gluones son bosones gauge de vectores que median interacciones fuertes de quarks en cromodinámica cuántica (QCD). Los propios gluones llevan la carga de color de la fuerte interacción. 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 espín de 1. Mientras que las partículas masivas de espín 1 tienen tres estados de polarización, los bosones gauge sin masa como el gluón tienen solo dos estados de polarización porque la invariancia gauge requiere que ser transversal a la dirección en la que viaja el gluón. En la teoría cuántica de campos , la invariancia de gauge ininterrumpida requiere que los bosones de gauge tengan masa cero. Los experimentos limitan la masa en reposo del gluón a menos de unos pocos meV / c 2 . El gluón tiene paridad intrínseca negativa .
Contando gluones
A diferencia del fotón único de QED o de los tres bosones W y Z de la interacción débil , hay ocho tipos independientes de gluones en QCD.
Esto puede resultar difícil de entender intuitivamente. Los quarks llevan tres tipos de carga de color ; Los antiquarks llevan tres tipos de anticolor. Se puede pensar que los gluones portan tanto color como anticolor. Esto da nueve posibles combinaciones de color y anticolor en gluones. La siguiente es una lista de esas combinaciones (y sus nombres esquemáticos):
- rojo-antired (), rojo-antverde (), rojo-antiblue ()
- verde-antired (), verde-antverde (), verde-antiblue ()
- azul-antired (), azul-antverde (), azul-antiblue ()
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 están en un estado de "color singlete", que es matemáticamente análogo a un espín. estado singlete . [7] Estos estados permiten la interacción con otros colores únicos, pero no con otros estados de color; debido a que no existen interacciones de gluones de largo alcance, esto ilustra que tampoco existen gluones en estado singlete. [7]
El estado del singlete de color es: [7]
En otras palabras, si se pudiera medir el color del estado, habría las mismas probabilidades de que sea rojo-antirreflejo, azul-antiazul o verde-antverde.
Ocho colores
Hay ocho estados de color independientes restantes, que corresponden a los "ocho tipos" u "ocho colores" de gluones. Debido a que los estados se pueden mezclar como se discutió anteriormente, hay muchas formas de presentar estos estados, que se conocen como el "octeto de color". Una lista de uso común es: [7]
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, 3 2 - 1 o 2 3 . No hay forma de agregar ninguna combinación de estos estados para producir cualquier otro, y también es imposible agregarlos para hacer r r , g g , ob b [8] el estado prohibido de singlete . Hay muchas otras opciones posibles, pero todas son matemáticamente equivalentes, al menos igualmente complicadas y dan los mismos resultados físicos.
Detalles de la teoría de grupos
Técnicamente, QCD es una teoría de gauge con simetría de gauge SU (3) . Los quarks se introducen como espinores en sabores N f , cada uno en la representación fundamental (triplete, denotado 3 ) del grupo de calibre de color, SU (3). Los gluones son vectores en la representación adjunta (octetos, denominados 8 ) del 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 N 2 - 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 una U (3) . No se conoce una razón a priori para que un grupo sea preferido sobre el otro, pero como se discutió anteriormente, la evidencia experimental apoya SU (3). [7] El grupo U (1) para campo electromagnético se combina con un grupo un poco más complicado conocido como SU (2) - S significa "especial" - lo que significa que las matrices correspondientes tienen determinante +1 además de ser unitarias.
Confinamiento
Dado que los propios gluones llevan carga de color, participan en fuertes interacciones. Estas interacciones gluón-gluón limitan los campos de color a objetos parecidos 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 a1 × 10 -15 metros, aproximadamente del tamaño de un núcleo atómico . 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 de 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 quark-gluón . En tal plasma no hay hadrones; los quarks y 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 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) podrían interpretarse como topologías de eventos de tres chorros producidas por tres gluones. Más tarde, los análisis publicados por el mismo experimento confirmaron esta interpretación y también la naturaleza spin = 1 del gluón [9] [10] (ver también los experimentos de recuerdo [2] y PLUTO ).
En el verano de 1979, a energías más altas en el colisionador de electrones y positrones PETRA (DESY), se observaron nuevamente topologías de tres chorros, ahora interpretadas como q q gluon bremsstrahlung , ahora claramente visible, por TASSO , [11] MARK-J [12] y experimentos PLUTO [13] (más tarde en 1980 también por JADE [14] ). La propiedad spin = 1 del gluón fue confirmada en 1980 por los experimentos TASSO [15] y PLUTO [16] (ver también la revisión [3] ). En 1991, un experimento posterior en el anillo de almacenamiento de LEP en el CERN confirmó nuevamente este resultado. [17]
Los gluones juegan un papel importante en las interacciones fuertes elementales entre quarks y gluones, descritas por QCD y estudiadas particularmente en el colisionador electrón-protón 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 , [18] en los años 1996-2007. La contribución del gluón al espín del protón ha sido estudiada por el experimento HERMES en HERA. [19] También se ha medido la densidad de gluones en el protón (cuando se comporta hadrónicamente). [20]
El confinamiento de color se verifica por el fracaso de las búsquedas de quarks gratuitas (búsquedas de cargas fraccionarias). Los quarks se producen normalmente en pares (quark + antiquark) para compensar el color cuántico y los números de sabor; sin embargo, en Fermilab se ha demostrado una sola producción de quarks top . [a] [21] No se ha demostrado ninguna bola de pegamento .
El desconfinamiento se reclamó en 2000 en el CERN SPS [22] 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. Fue encontrado en el Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) en Brookhaven en los años 2004-2010 por cuatro experimentos contemporáneos. [23] Un quark-gluón estado de plasma se ha confirmado en el CERN LHC (LHC) por los tres experimentos ALICE , ATLAS y CMS en 2010. [24]
Jefferson Lab 's continua Fondo haz de electrones del acelerador , en Newport News, Virginia , [b] es uno de los 10 Departamento de Energía de las instalaciones que realizan investigaciones sobre los gluones. El laboratorio de Virginia estaba compitiendo con otra instalación, el Laboratorio Nacional Brookhaven , en Long Island, Nueva York, por fondos para construir un nuevo colisionador de iones y electrones . [25] 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 . [26]
Ver también
- Cuarc
- Hadron
- Mesón
- Bosón de calibre
- Modelo de quark
- Cromodinámica cuántica
- Plasma de quark-gluón
- Confinamiento de color
- Bola de pegamento
- Campo de gluones
- Tensor de intensidad de campo de gluones
- Hadrones exóticos
- Modelo estandar
- Eventos de tres chorros
- Dispersión inelástica profunda
- Energía de enlace de la cromodinámica cuántica
Notas al pie
- ^ Técnicamente, laproducción de unsolo quark top en Fermilab todavía implica una producción de pares, pero el quark y el antiquark son de diferentes sabores.
- ^ Jefferson Lab es un apodo para la instalación del acelerador nacional Thomas Jefferson en Newport News, Virginia .
Referencias
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