En física de partículas , una bola de pegamento (también gluonio , gluon-ball ) es una partícula compuesta hipotética . [1] Se compone únicamente de partículas de gluones , sin quarks de valencia . Este 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 los estados de los mesones ordinarios . [2] En la teoría de calibre pura, las bolas de pegamento son los únicos estados del espectro y algunos de ellos son estables. [3]
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 ni identificado con certeza, [4] aunque cálculos fenomenológicos han sugerido que un candidato a bola de pegamento identificado experimentalmente, denotado , tiene propiedades consistentes con las esperadas de un estándar . Modelo bola de pegamento. [5]
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 ha sido confirmada experimentalmente. [6] 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 tener 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 vectorial de tres gluones sin quarks, se identificó en la comparación de la dispersión protón-protón y protón-antiprotón. [7] [8] [9]
En principio, es teóricamente posible calcular exactamente todas las propiedades de las bolas de pegamento y derivarlas directamente de las ecuaciones y constantes físicas fundamentales de la cromodinámica cuántica (QCD) sin necesidad de más aportaciones experimentales. Por lo tanto, las propiedades predichas de estas partículas hipotéticas se pueden describir con exquisito detalle utilizando únicamente la física del modelo estándar que tiene 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 utilizando varios métodos muy diferentes). Esto puede conducir a variaciones en las predicciones teóricas de las propiedades de las bolas de pegamento, como las relaciones de masa y ramificación en las desintegraciones de las bolas de pegamento.
Los estudios teóricos de las bolas de pegamento se han centrado en bolas de pegamento 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 tendrían una carga de color QCD neutra. 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 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 hechos de dos quarks con J = 0 y J = 1 con masas similares se han observado estados excitados y de otros mesones que pueden tener estos valores de momento angular total.
Todas las bolas de pegamento tendrían una carga eléctrica de cero, ya que los gluones en sí no tienen carga eléctrica.
La cromodinámica cuántica predice que las bolas de pegamento serán 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 posibles de bolas de pegamento, incluidos estados de bolas de pegamento excitados que comparten los mismos números cuánticos pero tienen diferentes masas con los estados más ligeros que 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 +− ). [4]
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 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 de forma aislada, el Modelo Estándar predice que todas las bolas de pegamento serán inestables de forma aislada, con varios cálculos de QCD que predicen el ancho total de desintegración (que está funcionalmente relacionado con la vida media). ) para varios estados de la bola de pegamento. Los cálculos de QCD también hacen predicciones sobre los patrones de desintegración esperados de las bolas de pegamento. [10] [11] 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 . [10]
Debido a que las bolas de pegamento del modelo estándar son tan efímeras (se descomponen casi inmediatamente en productos de desintegración más estables) y solo se generan en 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 .
Lattice QCD proporciona una manera 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. [13] Morningstar y Peardon [14] 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 dificultaría 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 masa en el rango de aproximadamente1000–1700 MeV / c2 . [4] Las predicciones de celosía 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. [15]
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 poder asignar inmediatamente a la partícula de resonancia que se observa todas las propiedades de esa partícula. Se han detectado decenas de tales partículas, aunque las 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:
Muchos de estos candidatos han sido objeto de investigación activa durante al menos dieciocho años. [10] El experimento GlueX ha sido diseñado específicamente para producir evidencia experimental más definitiva de las bolas de pegamento. [dieciséis]
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