Lateoría que postula la existencia de los gluones y describe su dinámica se denominacromodinámica cuántica. El nombre hace alusión a "pegamento" (glue), ya que estas partículas son las que "unen" losquarks dentro de losnucleones.
Al igual que elfotón, el gluon es unbosón sin masa, conespín 1. Como losquarks, los gluones tienencarga de color, que depende del cambio de color de los cuarks.
Los cuarks cambian de color cuando se intercambian gluones, de tal forma que la carga de color total del sistema formado por el cuark y el gluon, antes y después de la emisión o absorción es la misma.
Por ejemplo, si un cuark rojo se vuelve azul al emitir un gluon, entonces es porque emite un gluon rojo-antiazul (la parte roja del gluon es el rojo que pierde el cuark, y el antiazul es para anular el azul que el cuark gana). El sistema tiene carga de color neta roja.
Existen asimismo 8 tipos de gluones, siendo cada uno de ellos una combinación color-anticolor.Los cuarks y los gluones forman partículas compuestas con carga de color total neutra (se suele decir que las partículas compuestas son blancas).
A diferencia del fotón de la QED o de los tresbosones W y Z de lainteracción débil, en la QCD hay ocho tipos independientes de gluones.
Sin embargo, los gluones están sujetos a los fenómenos decarga de color (de los que tienen combinaciones de color y anticolor). Losquarks llevan tres tipos de carga de color; los antiquarks llevan tres tipos de anticolor. Los gluones pueden ser considerados como portadores tanto de color como de anticolor. Esto da nueve combinacionesposibles de color y anticolor en los gluones. La siguiente es una lista de esas combinaciones (y sus nombres esquemáticos):
Estos no son los estados de colorreales de los gluones observados, sino estadosefectivos. Para entender correctamente cómo se combinan, es necesario considerar las matemáticas de la carga de color con más detalle.
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 "color singlete", que es matemáticamente análogo a unspin estado singlete.[7] Tales estados permiten la interacción con otros singletes de color, pero no con otros estados de color; dado que no existen interacciones de gluones de largo alcance, esto ilustra que tampoco existen gluones en el estado singlete.[7]
En otras palabras, si se pudieramedir el color del estado, habría las mismas probabilidades de que fuera rojo-antirojo, azul-antiazul o verde-antiverde.
Quedan ocho estados de color independientes, que corresponden a los "ocho tipos" u "ocho colores" de gluones. Debido a que los estados se pueden mezclar entre sí como se ha comentado anteriormente, hay muchas formas de presentar estos estados, que se conocen como el "octeto de colores". Una lista comúnmente utilizada es:[7]
Son equivalentes a lasmatrices de Gell-Mann. La característica crítica de estos ocho estados en particular es que sonlinealmente independientes, y también independientes del estado singlete, por lo tanto 32 − 1 o 23. No hay manera de añadir ninguna combinación de estos estados para producir cualquier otro, y también es imposible añadirlos para hacerrr,gg, obb[8] elestado singlete prohibido. Hay muchas otras opciones posibles, pero todas son matemáticamente equivalentes, al menos igual de complicadas, y dan los mismos resultados físicos.
Formalmente, la QCD es unateoría gauge con simetría gaugeSU(3). Los quarks se introducen comoespinors enNfsabores, cada uno en larepresentación fundamental (triplete, denotado3) del grupo gauge de color, SU(3). Los gluones son vectores en larepresentación adjunta (octetos, denotados8) del color SU(3). Para ungrupo de calibre general, el número de portadores de fuerza (como fotones o gluones) es siempre igual a la dimensión de la representación conjunta. Para el caso simple de SU(N), la dimensión de esta representación esN2 - 1.
En términos de teoría de grupos, la afirmación de que no hay gluones singlete de color es simplemente la afirmación de que lacromodinámica cuántica tiene una simetría SU(3) en lugar de unaU(3). No se conoce ninguna razóna priori para que se prefiera un grupo sobre el otro, pero como se ha comentado anteriormente, la evidencia experimental apoya SU(3).[7] Si el grupo fuera U(3), el noveno gluón (singlete incoloro) se comportaría como un "segundo fotón" y no como los otros ocho gluones.[9]
Dado que los propios gluones llevan carga de color, participan en interacciones fuertes. Estas interacciones gluón-gluón constriñen los campos de color a objetos similares a cuerdas llamados "tubo de flujos", que ejercen una fuerza constante cuando se estiran. Debido a esta fuerza, losquarks estánconfinados dentro departículas compuestas llamadashadrones. Esto limita el alcance de la interacción fuerte a 1x 10-15 metros, aproximadamente el tamaño de unnucleón. Más allá de una cierta distancia, la energía del tubo de flujo que une dos quarks aumenta linealmente. A una distancia suficientemente grande, resulta energéticamente más favorable extraer un par quark-antiquark del vacío que aumentar la longitud del tubo de flujo.
Una consecuencia de la propiedad de confinamiento hadrónico de los gluones es que no participan directamente en lasfuerzas nucleares entre hadrones. Los mediadores de estas fuerzas son otros hadrones llamados mesones.
Aunque en lafase normal de la QCD los gluones individuales no pueden viajar libremente, se predice que existen hadrones que están formados completamente por gluones - llamadosbola de gluones. También existen conjeturas sobre otros hadrones exóticos en los que los gluones reales (en contraposición a lasvirtuales que se encuentran en los hadrones ordinarios) serían constituyentes primarios. Más allá de la fase normal de la QCD (a temperaturas y presiones extremas), se forma elplasma de quarks-gluones. En dicho plasma no hay hadrones; los quarks y los gluones se convierten en partículas libres.
Cuarks 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, eldetector 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) podían interpretarse como topologías desuceso de tres chorros producidas por tres gluones. Posteriormente, los análisis publicados por el mismo experimento confirmaron esta interpretación y también la naturaleza de espín = 1 del gluón[10][11] (véase también el recuerdo y losexperimentos PLUTO).
En verano 1979, a energías más altas en el colisionador electrón-positrónPETRA (DESY), de nuevo se observaron topologías de tres chorros, ahora interpretadas comobremsstrahlung de gluones qq, ahora claramente visibles, porTASSO,[12]MARK-J[13] y los experimentos PLUTO[14] (posteriormente en 1980 también porJADE[15]). La propiedad de espín = 1 del gluón fue confirmada en 1980 por TASSO[16] y los experimentos PLUTO[17] (véase también la reseña). En 1991 un experimento posterior en el anillo de almacenamientoLEP en elCERN confirmó de nuevo este resultado.[18]
Los gluones juegan un papel importante en las interacciones fuertes elementales entrequarks y gluones, descritas por QCD y estudiadas particularmente en el colisionador electrón-protónHERA en DESY. El número y la distribución del momento de los gluones en elprotón (densidad de gluones) han sido medidos por dos experimentos,H1 yZEUS,[19] en los años 1996-2007. La contribución del gluón al espín del protón ha sido estudiada por el experimentoHERMES en HERA.[20] También se ha medido la densidad de gluones en el protón (cuando se comporta hadrónicamente).[21]
Elconfinamiento de color se verifica por el fracaso de las búsquedas dequarks libres (búsquedas de cargas fraccionarias). Los quarks se producen normalmente en pares (quark + antiquark) para compensar los números cuánticos de color y sabor; sin embargo, enFermilab se ha demostrado la producción única dequark tops.[22][23] No se ha demostradoglueball.
Los gluones forman también parte de loshadrones, y la energía del campo de color que crean es la responsable de la mayoría de la masa del mismo. En el caso delprotón se puede ver que:
Por lo que gran parte de la masa del protón es atribuible a la energía delcampo de color.
Al sufrir ellos mismos su propia interacción, los gluones que unen los cuarks crean uncampo de Yang-Mills de color que impide que los cuarks se separen con una fuerza inmensa, para pequeñas distancias parece que el campo decae en intensidad, pero para distancias del orden del tamaño de un nucleón la fuerza es mucho mayor que las fuerzas electrostáticas de repulsión entre protones. La formación de estas ligaduras por parte de los gluones limita el campo de acción de esta interacción a un orden de 10-15metros (más o menos el tamaño de unnúcleo atómico).
Al contrario que lafuerza eléctrica o la gravitatoria, si se intenta separar entre sí un par de cuarks, el campo de color tira de ellos con mucha más fuerza; es como si los cuarks estuvieran unidos por un "muelle gluónico", que intenta volver a su longitud inicial. Debido a esto, los cuarks y los gluones son partículas muy difíciles de detectar y solo podemos ver las partículas que ellos forman, loshadrones.
Cuando se separan tanto dos cuarks unidos mediante este muelle, se acumula tanta energía en el sistema que es más fácil para el mismo crear nuevos cuarks para devolver el campo de color a un estado menos energético. Esto es resultado de convertir parte de laenergía del campo de color en nuevamateria.
A pesar de que los hadrones tienen carga de color neutra, los cuarks de distintos hadrones pueden atraerse con mucha fuerza, en el caso de losnucleones incluso mayor que laelectromagnética. A esta fuerza de naturaleza fuerte entre distintos hadrones se le llama residual, y es la responsable de que el núcleo atómico sea estable a pesar de la gran cantidad decargas positivas que posee.
Esta fuerza residual puede describirse de manera aproximada mediante uncampo de Yukawa que representa una interacción mediada porpiones que son partículas masivas lo cual explicaría que la fuerza nuclear decae mucho más rápido que laley de la inversa del cuadrado siendo la intensidad de esta fuerza virtualmente nula fuera delnúcleo atómico.
La descripción matemática de la interacción de los gluones entre sí y con los cuarks es descrita por lacromodinámica cuántica. En ese contexto los gluones son descritos como un campo gluónico que es un campo de Yang-Mills asociado a unasimetría de gauge del tipoSU(3). Ellagrangiano que describe la interacción de los gluones entre sí y con los cuarks viene dado por:
Donde la intensidad del campo gluónico viene dada por el tensor antisimétrico o2-forma, mientras que la distribución espacial de los cuarks viene dada por el espinor multicomponente.
↑Técnicamente, la producción única dequark top enFermilab sigue implicando una producción en pares, pero el quark y el antiquark son de diferentes sabores.
