En física de partículas , una bola de pegamento (también gluonio , bola de gluón ) es una partícula compuesta hipotética . [1] Consiste únicamente en partículas de gluones , sin quarks de valencia . Tal estado es posible porque los gluones llevan carga de color y experimentan la fuerte interacción entre ellos. Las bolas de pegamento son extremadamente difíciles de identificar en los aceleradores de partículas , porque se mezclan con estados mesónicos ordinarios . [2] [3] En la teoría de calibre pura, las bolas de pegamento son los únicos estados del espectro y algunos de ellos son estables. [4]
Los cálculos teóricos muestran que las bolas de pegamento deberían existir en rangos de energía accesibles con la tecnología de colisionadores actual . Sin embargo, debido a la dificultad antes mencionada (entre otras), hasta ahora no se han observado ni identificado con certeza, [5] aunque los cálculos fenomenológicos han sugerido que un candidato a bola de pegamento identificado experimentalmente, denotado , tiene propiedades consistentes con las esperadas de una bola de pegamento del Modelo Estándar . [6]
La predicción de que existen las bolas de pegamento es una de las predicciones más importantes del Modelo Estándar de física de partículas que aún no se ha confirmado experimentalmente. [7] [ verificación fallida ] Las bolas de pegamento son las únicas partículas predichas por el Modelo Estándar con un momento angular total ( J ) (a veces llamado "espín intrínseco") que podría ser 2 o 3 en sus estados fundamentales.
En 2021, la colaboración TOTEM en el LHC en colaboración con la colaboración DØ en el antiguo colisionador Tevatron en Fermilab anunció evidencia experimental del intercambio de odderon (una partícula gluónica compuesta con paridad C impar ). Este intercambio, asociado con una bola de pegamento de tres gluones sin quarks, se identificó en la comparación de la dispersión protón-protón y protón-antiprotón. [8] [9] [10] En 2024, se determinó que la partícula X(2370) tenía una masa y una paridad de espín consistentes con las de una bola de pegamento. [11] Sin embargo, no se pudieron descartar otros candidatos a partículas exóticas, como un tetraquark . [12]
En principio, es teóricamente posible calcular con exactitud todas las propiedades de las bolas de pegamento y derivarlas directamente de las ecuaciones y las constantes físicas fundamentales de la cromodinámica cuántica (QCD) sin necesidad de realizar más experimentos. Por lo tanto, las propiedades predichas de estas partículas hipotéticas se pueden describir con gran detalle utilizando únicamente la física del Modelo Estándar, que tiene una amplia aceptación en la literatura de física teórica. Sin embargo, existe una considerable incertidumbre 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 utilizando varios métodos muy diferentes). Esto puede provocar variaciones en las predicciones teóricas de las propiedades de las bolas de pegamento, como la masa y las relaciones de ramificación en las desintegraciones de las bolas de pegamento.
Los estudios teóricos de las bolas de pegamento se han centrado en las bolas de pegamento que constan de dos o tres gluones, por analogía con los mesones y los bariones que tienen dos y tres quarks respectivamente. Como en el caso de los mesones y los bariones, las bolas de pegamento serían neutrales en cuanto a carga cromática según la QCD . El número bariónico de una bola de pegamento es cero.
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 tensor de tercer orden ). Todas las bolas de pegamento tienen un momento angular total entero que implica que son bosones en lugar de fermiones .
Las bolas de pegamento son las únicas partículas predichas por el Modelo Estándar con un momento angular total ( J ) (a veces llamado "espín intrínseco" ) que podría ser 2 o 3 en sus estados fundamentales, aunque se han observado mesones formados por dos quarks con J = 0 y J = 1 con masas similares y los estados excitados de otros mesones pueden tener estos valores de momento angular total.
Todas las bolas de pegamento tendrían una carga eléctrica de cero, ya que los propios gluones no tienen carga eléctrica.
La cromodinámica cuántica predice que las bolas de pegamento son masivas, a pesar del hecho 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, lo que produce al menos quince estados de bola de pegamento posibles, incluidos estados de bola de pegamento excitados que comparten los mismos números cuánticos pero tienen masas diferentes, y los estados más ligeros tienen masas tan bajas como1,4 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 tienen masas tan grandes como casi5 GeV/ c 2 (para una bola de pegamento con números cuánticos J = 0, P = +1, C = −1 o J PC = 0 +− ). [5]
Estas masas son del 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 bottom , algunos isótopos de hidrógeno y algunos isótopos de helio .
Así como todos los mesones y bariones del Modelo Estándar, excepto el protón, son inestables en aislamiento, el Modelo Estándar predice que todas las bolas de pegamento son inestables en aislamiento, con varios cálculos de QCD prediciendo el ancho de desintegración total (que está funcionalmente relacionado con la vida media) para varios estados de bolas de pegamento. Los cálculos de QCD también hacen predicciones con respecto a los patrones de desintegración esperados de las bolas de pegamento. [13] [14] Por ejemplo, las bolas de pegamento no tendrían desintegraciones radiativas o de dos fotones, sino que tendrían desintegraciones en pares de piones , pares de kaones o pares de mesones eta . [13]
Debido a que las bolas de pegamento del Modelo Estándar son tan efímeras (se desintegran casi inmediatamente en productos de desintegración más estables) y solo se generan en la física de alta energía, las bolas de pegamento solo surgen de manera sintética 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 su impacto fenomenológico en los procesos macroscópicos o sus aplicaciones de ingeniería .
La QCD en red proporciona una forma de estudiar el espectro de las bolas de pegamento de forma teórica y a partir de los primeros principios. Algunas de las primeras cantidades calculadas utilizando métodos de QCD en red (en 1980) fueron estimaciones de masa de bolas de pegamento. [16] Morningstar y Peardon [17] calcularon en 1999 las masas de las bolas de pegamento más ligeras en QCD sin quarks dinámicos. Los tres estados más bajos se tabulan a continuación. La presencia de quarks dinámicos alteraría ligeramente estos datos, pero también dificulta los cálculos. Desde entonces, los cálculos dentro de QCD (reglas de red y suma) encuentran que la bola de pegamento más ligera es un escalar con una masa en el rango de aproximadamente1000–1700 MeV/ c 2 . [5] Las predicciones de red para bolas de pegamento escalares y pseudoescalares, incluidas sus excitaciones, fueron confirmadas por las ecuaciones de Dyson–Schwinger/Bethe–Salpeter en la teoría de Yang–Mills . [18]
Los experimentos con aceleradores de partículas a menudo pueden identificar partículas compuestas inestables y asignar masas a esas partículas con una precisión de aproximadamente10 MeV/ c 2 , sin que sea posible asignar inmediatamente a la resonancia de partículas observada todas las propiedades de esa partícula. Se han detectado decenas de partículas de este tipo, aunque las partículas detectadas en algunos experimentos pero no en otros pueden considerarse dudosas.
Muchos de estos candidatos han sido objeto de investigación activa durante al menos dieciocho años. [13] El experimento GlueX ha sido diseñado específicamente para producir evidencia experimental más definitiva de las bolas de pegamento. [19]
Algunas de las resonancias de partículas candidatas que podrían ser bolas de pegamento, aunque la evidencia no es definitiva, incluyen las siguientes:
