Cromodinámica cuántica

Fue propuesta a comienzos de los años 70 por David Politzer, Frank Wilczek y David Gross como teoría para comprender la estructura de bariones (colectivos de tres quarks, como protones y neutrones) y mesones (pares quark-antiquark, como los piones).[1]​ Por su trabajo en cromodinámica cuántica, a Gross, Wilczek y Politzer les fue concedido el Premio Nobel de Física en 2004.La llamada «cromodinámica» viene de la palabra griega chromos (color).La cromodinámica cuántica es una teoría de gauge que describe la interacción entre quarks y gluones.Los quarks son los fermiones de esta teoría y desempeñan un papel análogo a los electrones y neutrinos del modelo electrodébil, los gluones son los bosones de gauge de la teoría, y desempeñan un papel análogo a los fotones en la QED.[1]​ Los gluones son representables mediante un campo de Yang-Mills cuya simetría interna es el grupo SU(3).Aunque las expansiones perturbativas eran importantes para el desarrollo de la QCD, esta también predice muchos efectos no perturbativos tales como confinamiento, condensados fermiónicos e instantones.Parecía que una cantidad tan grande de partículas no podían ser todas fundamentales.Primero, las partículas fueron clasificadas por carga e isospin por Eugene Wigner y Werner Heisenberg; después, en 1953-1956,[2]​[3]​[4]​ según la extrañeza por Murray Gell-Mann y Kazuhiko Nishijima (véase fórmula de Gell-Mann-Nishijima).Para obtener una mayor comprensión, los hadrones se clasificaron en grupos que tenían propiedades y masas similares utilizando la vía óctuple, inventada en 1961 por Gell-Mann.[6]​[7]​ Quizás la primera observación de que los quarks deberían poseer un número cuántico adicional se hizo[8]​ como una breve nota al pie en la preimpresión de Boris Struminsky[9]​ en relación con el hiperón Ω− estando compuesto por tres quarks extraños con espines paralelos (esta situación era peculiar, porque dado que los quarks son fermiones, tal combinación está prohibida por el principio de exclusión de Pauli):Dado que las búsquedas gratuitas de quarks fallaron consistentemente en encontrar pruebas de las nuevas partículas, y debido a que una partícula elemental en ese entonces se "definió" como una partícula que podía separarse y aislarse, Gell-Mann solía decir que los quarks eran simplemente construcciones matemáticas convenientes, no partículas reales.El significado de esta declaración generalmente era claro en el contexto: quería decir que los quarks están confinados, pero también estaba insinuando que las interacciones fuertes probablemente no podrían describirse completamente mediante la teoría cuántica de campos.Feynman pensó que los quarks tienen una distribución de posición o momento, como cualquier otra partícula, y creía (correctamente) que la difusión del momento parton explicaba la dispersión difractiva.Aunque Gell-Mann creía que ciertas cargas de quarks podían localizarse, estaba abierto a la posibilidad de que los propios quarks no pudieran localizarse porque el espacio y el tiempo se descomponían.Estos experimentos se volvieron cada vez más precisos, culminando en la verificación de QCD perturbativo al nivel de un pequeño porcentaje en LEP, en el CERN.Dado que la fuerza entre las cargas de color no disminuye con la distancia, se cree que los quarks y los gluones nunca pueden liberarse de los hadrones.Esto contrasta fuertemente con el carácter de otras interacciones como la electromagnética y la gravitatoria, que disminuyen con la distancia.Esto contrasta con la interacción electromagnética cuyos mediadores, los fotones, no interactúan entre ellos.Esa sopa de quarks y gluones se habría parecido a un gas "casi ideal" a temperatura y presión altísima.Sólo al enfriarse un poco el universo se habría producido la bariogénesis y a partir de ese momento los quarks habrían dejado de ser libres y habrían quedado confinados en el interior de hadrones.Eso implica por el teorema de Noether que existen magnitudes conservadas asociada a esa simetría.Las tres variedades de color se designan normalmente como R (red), B (blue) y G (green) (aunque estos nombres no tienen nada que ver con el color visual, que es un fenómeno electromagnético asociado a diferentes longitudes de onda).Esa diferencia crucial hace que la interacción electromagnética tenga un alcance potencialmente infinito frente al muy corto alcance de la interacción fuerte.El campo gluónico está formado por ocho tipos de gluones (ya que el SU(3) tiene dimensión 8).Para cada campo gluónico las nueve componentes asociadas se definen mediante: (1)Donde: Obsérvese que sin el segundo término del primer miembro esta ecuación (2) formalmente sería idéntica con las ecuaciones de Maxwell, excepto por el hecho de que la definición del campo gluónico es algo diferente.Por esa razón se han buscado algunos enfoques alternativos que permitan realizar cálculos prácticos y predicciones concretas.En particular el enfoque se ha usado para calcular con bastante precisión las masas de mesones y hadrones.Ese trabajo fue el primer ejemplo concreto que sugirió fuertemente la validez del principio holográfico.