Un gluón ( / ˈ ɡ l uː ɒ n / GLOO -on ) es un tipo de partícula elemental 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 los quarks en grupos según la cromodinámica cuántica (QCD) , formando hadrones como protones y neutrones .
Los gluones llevan la carga de color de la interacción fuerte, participando así en la interacción fuerte y mediando en ella. Debido a que los gluones llevan la carga de color, la QCD es más difícil de analizar en comparación con la electrodinámica cuántica (QED) , donde el fotón no lleva 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, Richard Feynman se refirió a estas partículas como partones . [10]
El gluón es un bosón vectorial , lo que significa que tiene un espín de 1. Mientras que las partículas masivas de espín 1 tienen tres estados de polarización, los bosones calibre sin masa como el gluón tienen sólo dos estados de polarización porque la invariancia calibre requiere que la polarización del campo sea transversal al 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/ c 2 . El gluón tiene paridad intrínseca negativa .
A diferencia del fotón de QED o de los tres bosones W y Z de la interacción débil , existen ocho tipos independientes de gluones en QCD.
Sin embargo, los gluones están sujetos al fenómeno 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 transportan 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):
Estos no son los estados de color reales de los gluones observados, sino estados efectivos . Para comprender correctamente cómo se combinan, es necesario considerar con más detalle las matemáticas de la carga de color.
A menudo se dice que las partículas estables que interactúan fuertemente (como los hadrones como el protón y el neutrón) observadas en la naturaleza son "incoloras", pero más precisamente se encuentran en un estado de "color singlete", que es matemáticamente análogo al estado de spin singlete. . [11] 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 singlete tampoco existen. [11]
El estado singlete del color es: [11]
En otras palabras, si se pudiera medir el color del estado, habría iguales probabilidades de que fuera rojo-antirojo, azul-antiazul o verde-antiverde.
Quedan 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 analizó anteriormente, existen muchas formas de presentar estos estados, que se conocen como "octeto de colores". Una lista comúnmente utilizada es: [11]
Éstas 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 o b b [12] el estado singlete prohibido . Hay muchas otras opciones posibles, pero todas son matemáticamente equivalentes, al menos igualmente complicadas y dan los mismos resultados físicos.
Formalmente, QCD es una teoría de calibre con simetría de calibre SU(3) . Los quarks se introducen como espinores en Nf sabores , cada uno en la representación fundamental (triplete, denotado 3 ) del grupo de indicadores de color, SU(3) . Los gluones son vectores en la representación adjunta (octetos, denotados 8 ) de color SU(3). Para un grupo 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 singletes de color es simplemente la afirmación de que la cromodinámica cuántica tiene una simetría SU(3) en lugar de U(3) . No se conoce ninguna razón a priori para que un grupo sea preferido sobre el otro, pero como se analizó anteriormente, la evidencia experimental respalda la 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]
Dado que los propios gluones llevan carga de color, participan en fuertes interacciones. Estas interacciones gluón-gluón limitan los campos de color a objetos en forma de cuerdas llamados " tubos de flujo ", que ejercen una fuerza constante cuando se estiran. Debido a esta fuerza, los quarks quedan confinados dentro de partículas compuestas llamadas hadrones . Esto limita efectivamente el alcance de la interacción fuerte a1 × 10 −15 metros, aproximadamente del tamaño de un nucleón . A partir de cierta distancia, la energía del tubo de flujo que une dos quarks aumenta linealmente. A una distancia suficientemente grande, resulta energéticamente más favorable sacar un par quark-antiquark del vacío en lugar de aumentar la longitud del tubo de flujo.
Una consecuencia de la propiedad de confinamiento de hadrones de los gluones es que no participan directamente en las fuerzas nucleares entre hadrones. Los mediadores de fuerza para estos son otros hadrones llamados mesones .
Aunque en la fase normal de QCD es posible que los gluones individuales no viajen libremente, se predice que existen hadrones que están formados enteramente 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 sus 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 gluones se convierten en partículas libres.
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 de PLUTÓN 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. Más tarde, los análisis publicados del mismo experimento confirmaron esta interpretación y también la naturaleza espín = 1 del gluón [14] [15] (ver también los experimentos de recuerdo [2] y PLUTO ).
En el verano de 1979, a energías más altas en el colisionador electrón-positrón PETRA (DESY), nuevamente se observaron topologías de tres chorros, ahora claramente visibles e interpretadas como q q gluon bremsstrahlung , por TASSO , [16] MARK-J [17] y Experimentos de PLUTÓN [18] (más tarde en 1980 también por JADE [19] ). La propiedad spin = 1 del gluón fue confirmada en 1980 por los experimentos de TASSO [20] y PLUTO [21] (ver también la revisión [3] ). En 1991, un experimento posterior en el anillo de almacenamiento LEP del CERN confirmó nuevamente este resultado. [22]
Los gluones desempeñan un papel importante en las interacciones elementales fuertes 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 midieron mediante dos experimentos, H1 y ZEUS , [23] en los años 1996-2007. La contribución de los gluones al espín de los protones ha sido estudiada mediante el experimento HERMES en HERA. [24] También se ha medido la densidad de gluones en el protón (cuando se comporta hadrónicamente). [25]
El confinamiento del 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 el Fermilab se ha demostrado la producción única de quarks top . [b] [26] No se ha demostrado ninguna bola de pegamento .
El desconfinamiento fue reivindicado en 2000 en el CERN SPS [27] en las colisiones de iones pesados , e implica un nuevo estado de la materia: plasma quark-gluón , menos interactivo que en el núcleo , casi como en un líquido. Fue encontrado en el Colisionador Relativista de Iones Pesados (RHIC) en Brookhaven en los años 2004-2010 mediante cuatro experimentos contemporáneos. [28] Un estado de plasma de quarks-gluones ha sido confirmado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN mediante los tres experimentos ALICE , ATLAS y CMS en 2010. [29]
La instalación del acelerador continuo de haz de electrones del Jefferson Lab , 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 iones de electrones . [30] En diciembre de 2019, el Departamento de Energía de EE. UU. seleccionó el Laboratorio Nacional Brookhaven para albergar el colisionador de iones de electrones . [31]
Esas pistas pueden dar a los científicos una mejor comprensión de lo que mantiene unido al universo.
