Confinamiento de color

Fenómeno en cromodinámica cuántica

En cromodinámica cuántica (QCD), el confinamiento de color , a menudo llamado simplemente confinamiento , es el fenómeno por el cual las partículas cargadas de color (como los quarks y los gluones ) no pueden aislarse y, por lo tanto, no pueden observarse directamente en condiciones normales por debajo de la temperatura de Hagedorn de aproximadamente 2 tera kelvin (que corresponde a energías de aproximadamente 130-140 M eV por partícula). ^[1]^[2] Los quarks y los gluones deben agruparse para formar hadrones . Los dos tipos principales de hadrones son los mesones (un quark, un antiquark) y los bariones (tres quarks). Además, las bolas de pegamento incoloras formadas solo por gluones también son consistentes con el confinamiento, aunque difíciles de identificar experimentalmente. Los quarks y los gluones no pueden separarse de su hadrón original sin producir nuevos hadrones. ^[3]

Origen

Todavía no existe una prueba analítica del confinamiento del color en ninguna teoría de calibre no abeliana . El fenómeno se puede entender cualitativamente observando que los gluones portadores de fuerza de la QCD tienen carga de color, a diferencia de los fotones de la electrodinámica cuántica (QED). Mientras que el campo eléctrico entre partículas cargadas eléctricamente disminuye rápidamente a medida que esas partículas se separan, el campo de gluones entre un par de cargas de color forma un tubo de flujo estrecho (o cuerda) entre ellas. Debido a este comportamiento del campo de gluones, la fuerza fuerte entre las partículas es constante independientemente de su separación. ^[4]^[5]

Por lo tanto, cuando se separan dos cargas de color, en algún momento resulta energéticamente favorable que aparezca un nuevo par quark-antiquark, en lugar de extender aún más el tubo. Como resultado de esto, cuando se producen quarks en aceleradores de partículas, en lugar de ver los quarks individuales en los detectores, los científicos ven " chorros " de muchas partículas de color neutro ( mesones y bariones ), agrupadas. Este proceso se llama hadronización , fragmentación o ruptura de cuerdas .

La fase de confinamiento se define generalmente por el comportamiento de la acción del bucle de Wilson , que es simplemente el camino en el espacio-tiempo trazado por un par quark-antiquark creado en un punto y aniquilado en otro punto. En una teoría no confinante, la acción de dicho bucle es proporcional a su perímetro. Sin embargo, en una teoría confinante, la acción del bucle es proporcional a su área. Dado que el área es proporcional a la separación del par quark-antiquark, se suprimen los quarks libres. Los mesones están permitidos en una imagen de este tipo, ya que un bucle que contiene otro bucle con la orientación opuesta tiene solo un área pequeña entre los dos bucles. A temperaturas distintas de cero, el operador de orden para el confinamiento son versiones térmicas de los bucles de Wilson conocidas como bucles de Polyakov .

Escala de confinamiento

La escala de confinamiento o escala QCD es la escala en la que diverge la constante de acoplamiento fuerte definida de manera perturbativa. Esto se conoce como el polo de Landau . Por lo tanto, la definición y el valor de la escala de confinamiento dependen del esquema de renormalización utilizado. Por ejemplo, en el esquema de barras MS y en 4 bucles en el funcionamiento de , el promedio mundial en el caso de 3 sabores viene dado por ^[6] $\alpha _{s}$

\Lambda _{\overline {MS}}^{(3)}=(332\pm 17)\,{\rm {{MeV}\,.}}

Cuando la ecuación del grupo de renormalización se resuelve con exactitud, la escala no está definida en absoluto. ^{[ aclaración necesaria ]} Por lo tanto, se acostumbra citar el valor de la constante de acoplamiento fuerte en una escala de referencia particular.

A veces se cree que el único origen del confinamiento es el gran valor del fuerte acoplamiento cerca del polo de Landau . Esto a veces se conoce como esclavitud infrarroja (un término elegido para contrastar con la libertad ultravioleta ). Sin embargo, es incorrecto ya que en QCD el polo de Landau no es físico, ^[7]^[8] lo que se puede ver por el hecho de que su posición en la escala de confinamiento depende en gran medida del esquema de renormalización elegido , es decir, de una convención. La mayoría de las evidencias apuntan a un acoplamiento moderadamente grande, típicamente de valor 1-3 ^[7] dependiendo de la elección del esquema de renormalización. En contraste con el mecanismo simple pero erróneo de la esclavitud infrarroja , un acoplamiento grande es solo un ingrediente para el confinamiento de color, el otro es que los gluones están cargados de color y, por lo tanto, pueden colapsar en tubos de gluones.

Modelos que exhiben confinamiento

Además de la QCD en cuatro dimensiones del espacio-tiempo, el modelo de Schwinger bidimensional también exhibe confinamiento. ^[9]Las teorías de calibre abelianas compactas también exhiben confinamiento en 2 y 3 dimensiones del espacio-tiempo. ^[10] Se ha encontrado confinamiento en excitaciones elementales de sistemas magnéticos llamados espinones . ^[11]

Si se redujera la escala de ruptura de simetría electrodébil , la interacción SU(2) ininterrumpida acabaría por volverse confinante. Los modelos alternativos en los que SU(2) se vuelve confinante por encima de esa escala son cuantitativamente similares al Modelo Estándar a energías más bajas, pero radicalmente diferentes por encima de la ruptura de simetría. ^[12]

Modelos de quarks completamente apantallados

Además de la idea del confinamiento de quarks, existe una posibilidad potencial de que la carga de color de los quarks quede completamente protegida por el color gluónico que rodea al quark. Se han encontrado soluciones exactas de la teoría clásica de Yang-Mills SU(3) que proporcionan un apantallamiento completo (por campos de gluones) de la carga de color de un quark. ^[13] Sin embargo, tales soluciones clásicas no tienen en cuenta las propiedades no triviales del vacío de QCD . Por lo tanto, la importancia de tales soluciones de apantallamiento gluónico completo para un quark separado no está clara.

Véase también

Referencias

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[1] Barger, V.; Phillips, R. (1997). Física de colisionadores . Addison–Wesley . ISBN 978-0-201-14945-6.

[2] Greensite, J. (2011). Introducción al problema del confinamiento . Lecture Notes in Physics. Vol. 821. Springer . Bibcode :2011LNP...821.....G. doi :10.1007/978-3-642-14382-3. ISBN . 978-3-642-14381-6.

[3] Wu, T.-Y.; Hwang, Pauchy W.-Y. (1991). Mecánica cuántica relativista y campos cuánticos . World Scientific . pág. 321. ISBN. 978-981-02-0608-6.

[4] Muta, T. (2009). Fundamentos de la cromodinámica cuántica: una introducción a los métodos perturbativos en las teorías de calibración. Lecture Notes in Physics . Vol. 78 (3.ª ed.). World Scientific . ISBN 978-981-279-353-9.

[5] Smilga, A. (2001). Conferencias sobre cromodinámica cuántica. World Scientific . ISBN 978-981-02-4331-9.

[6] "Revisión sobre cromodinámica cuántica" (PDF) . Particle Data Group .

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[10] Schön, Verena; Michael, Thies (2000). "Teorías de campo de modelos 2d a temperatura y densidad finitas (Sección 2.5)". En Shifman, M. (ed.). En la frontera de la física de partículas . págs. 1945–2032. arXiv : hep-th/0008175 . Código Bibliográfico :2001afpp.book.1945S. CiteSeerX 10.1.1.28.1108 . doi :10.1142/9789812810458_0041. ISBN : 9789812810458_0041 978-981-02-4445-3. Número de identificación del sujeto 17401298.

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[12] Claudson, M.; Farhi, E.; Jaffe, RL (1 de agosto de 1986). "Modelo estándar fuertemente acoplado". Physical Review D . 34 (3): 873–887. Bibcode :1986PhRvD..34..873C. doi :10.1103/PhysRevD.34.873. PMID 9957220.

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