Un gluón ( / ˈɡl uːɒn / 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 a 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, por lo que participan en la interacción fuerte y la median. 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, estas partículas fueron denominadas partones por Richard Feynman . [10]
El gluón es un bosón vectorial , lo que significa que tiene un espín 1. Mientras que las partículas masivas de espín 1 tienen tres estados de polarización, los bosones de calibre sin masa como el gluón tienen solo dos estados de polarización porque la invariancia de calibre 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 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 .
Hay ocho tipos independientes de gluones en la QCD, a diferencia del fotón de la 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 tienen tres tipos de carga de color; los antiquarks tienen tres tipos de anticolor. Los gluones tienen tanto color como anticolor. Esto da nueve combinaciones posibles de color y anticolor en los gluones. A continuación se muestra una lista de esas combinaciones (y sus nombres esquemáticos):
Estas posibles combinaciones son solo estados efectivos , no los estados de color reales observados de los gluones. Para entender cómo se combinan, es necesario considerar las matemáticas de la carga de color con más detalle.
Se observa que las partículas estables que interactúan fuertemente, incluidos los hadrones como el protón o el neutrón, son "incoloras". Más precisamente, están en un estado de "singlete de color", y matemáticamente análogo a un estado de singlete de espín . [11] Los 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 el estado singlete tampoco existen. [11]
El estado singlete de color es: [11]
Si se pudiera medir el color del estado, habría probabilidades iguales de que fuera rojo-antirojo, azul-antiazul o verde-antiverde.
Existen ocho estados de color independientes restantes que corresponden a los "ocho tipos" u "ocho colores" de gluones. Dado que los estados se pueden mezclar entre sí, existen múltiples formas de presentar estos estados. 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 agregar ninguna combinación de estos estados para producir otros. También es imposible agregarlos para hacer que r r , g g o b b [ 12 ] sean 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, la QCD es una teoría de calibración con simetría de calibración SU(3) . Los quarks se introducen como espinores en N f flavors , cada uno en la representación fundamental (triplete, denotado 3 ) del grupo de calibración de color, SU(3). Los gluones son vectores en la representación adjunta (octetos, denotado 8 ) del color SU(3). Para un grupo de calibración general , el número de portadores de fuerza, como fotones o gluones, es siempre 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 U(3) . No se conoce ninguna razón a priori para que un grupo sea preferido sobre el otro, pero como se ha comentado anteriormente, la evidencia experimental apoya la preferencia por 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]
Como los gluones tienen carga de color, participan en interacciones fuertes. Estas interacciones gluón-gluón limitan 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 rango de la interacción fuerte a1 × 10 −15 metros, aproximadamente el tamaño de un nucleón . Más allá de cierta distancia, la energía del tubo de flujo que une a dos quarks aumenta linealmente. A una distancia suficientemente grande, resulta energéticamente más favorable extraer un par quark-antiquark del vacío en lugar de aumentar la longitud del tubo de flujo.
Una consecuencia de la propiedad de confinamiento hadrónico de los gluones es que no están directamente involucrados en las fuerzas nucleares entre hadrones. Los mediadores de estas fuerzas son otros hadrones llamados mesones .
Aunque en la fase normal de QCD los gluones individuales no pueden 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 un plasma de quarks y gluones . En un plasma de este tipo no hay hadrones; los quarks y los 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 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 producidos por tres gluones. Más tarde, los análisis publicados por el mismo experimento confirmaron esta interpretación y también la naturaleza de espín = 1 del gluón [14] [15] (ver también el recuerdo [2] y los experimentos PLUTO ).
En el verano de 1979, a energías más altas en el colisionador electrón-positrón PETRA (DESY), se observaron de nuevo topologías de tres chorros, ahora claramente visibles e interpretadas como radiación de frenado de gluones q q , por TASSO [16] , MARK-J [17] y experimentos PLUTO [18] (más tarde en 1980 también por JADE [19] ). La propiedad de espín = 1 del gluón fue confirmada en 1980 por TASSO [20] y experimentos 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 QCD y estudiadas particularmente en el colisionador electrón-protón HERA en DESY. La cantidad y distribución del momento de los gluones en el protón (densidad de gluones) se han medido mediante dos experimentos, H1 y ZEUS , [23] en los años 1996-2007. La contribución de los gluones al espín del protón se ha estudiado mediante el experimento HERMES en HERA. [24] También se ha medido la densidad de gluones en el protón (cuando se comporta de forma hadrónica). [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 Fermilab se ha demostrado la producción individual de quarks top . [b] [26] No se ha demostrado ninguna bola de pegamento .
El desconfinamiento se afirmó en 2000 en el SPS del CERN [27] en colisiones de iones pesados , e implica un nuevo estado de la materia: plasma de quarks y gluones , menos interactivo que en el núcleo , casi como en un líquido. Se encontró en el Colisionador de Iones Pesados Relativistas (RHIC) en Brookhaven en los años 2004-2010 mediante cuatro experimentos contemporáneos. [28] Un estado de plasma de quarks y gluones se ha confirmado en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN mediante los tres experimentos ALICE , ATLAS y CMS en 2010. [29]
El Acelerador de Haz Continuo de Electrones 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 los EE. UU. seleccionó el Laboratorio Nacional Brookhaven para albergar el colisionador de electrones e iones . [31]
Esas pistas pueden dar a los científicos una mejor comprensión de lo que mantiene unido al universo.
