Confinament del color

Archiu:Quark confinement.svg

La força de color associada al camp gluónico de Yang-Mills de la cromodinámica quàntica produïx el confinament per una raó aparentment senzilla, a partir de certa distància és més favorable energèticament calcular un parell quark-antiquark que seguir elongando un tubo de fluix de color associat al camp gluónico.

El confinament del color (o simplement confinament) és una propietat de les partícules elementals que posseïxen una càrrega de color: estes partícules no poden estar aïllades i li les observa únicament en atres partícules de tal manera que la combinació formada siga blanca, açò és que la seua càrrega de color total siga nula. Esta propietat està en l'orige de l'existència dels hadrones.

Descripció fenomenológica

El fenomen de confinament junt en la propietat de llibertat asintòtica són dos de les propietats interessants de la teoria de la cromodinámica quàntica formulada per a donar conte de les interaccions fortes que actuen sobre les partícules que posseïxen una càrrega de color. Les raons del confinament són més complicades que les de la llibertat asintòtica, de fet, encara no es conta en cap demostració analítica de que la cromodinámica quàntica produïx confinament. En canvi la llibertat asintòtica va ser anticipada per mig de càlculs perturbativos en 1973 per Frank Wilczek, David Gross i David Politzer que varen rebre el premi Nobel de física per este treball en 2004.

Archiu:Gluon tube-color confinement animation.gif

Animació ilustrativa del confinament d'un parell quark-antiquark. A mida que se suministra energia, el tubo de fluix associat als gluones pot elongarse, a partir d'un cert punt el tubo acumula suficient energia per a permetre la formació d'un parell quark-antiquark, que és una configuració més estable. Despuix de la formació del parell es forma una nova posada que s'aparta de la posada original.

El confinament és una propietat curiosa de les teories de gauge no-abelianas. Tinga's en conte que l'intensitat de les atres interaccions fonamentals (electromagnèticas, interacció dèbil i gravitació) disminuïxen en la separació, i poden descartar-se per a una separació gran. Per a les interaccions fortes, l'acoplament entre partícules en color aumenta en la distància, de manera aproximadament llineal per a separacions grans (per a l'interacció dèbil la decaiguda de l'intensitat es deu a que els bosones associats són másicos, per lo que el mecanisme de decaiguda és diferent que en el cas de l'electromagnetisme i la gravetat). Existix una manera gràfica d'interpretar el confinament dels quarks, quan dos d'ells se separen es forma un tubo de fluix entre els dos quarks pel qual circulen els gluonés. L'energia del tubo de fluix aumenta en la separació, és dir, la força atractiva entre els quarks es fa més fort en la distància. Arribada a una certa llongitut de tubo, l'energia associada ha creixcut tant que és lo suficientment gran per a formar un parell quark-antiquark (note's que la formació d'un parell de partícules requerix que l'energia total siga superior a les seues masses en repòs). Fenomenológicament, es considera llavors que el tubo "es trenca" i que apareixen dos nous tubos, un entre el quark original i el nou antiquark format, i un atre entre el antiquark original i el nou quark format gràcies al trencament del tubo de fluix.

Si un conjunt de quarks és globalment blanc (sense color predominant) es forma d'esta manera, cessa d'interaccionar directament en el restant del sistema i forma un estat lligat cridat hadrón (residualment un sistema "blanc" o hadrón pot formar parells de pión-antipión i interaccionar indirectament en atres sistemes blancs, açò és lo que succeïx entre els nucleones). Els quarks a l'interior dels hadrones estan lligats per tubos de fluix entre ells pero no en el restant del sistema; contràriament als quarks, els hadrones formen estats asintòtics que interaccionen débilment a grans distàncies.

El procés de ruptura dels tubos de fluix es repetix fins que tots els quarks produïts són reunits en hadrones. El conjunt del procés es denomina hadronización.

Aspectes teòrics

A pesar d'estes consideracions intuïtives, no existix per ara cap prova formal que el confinament siga una característica de la QCD. Açò resulta del fet que el confinament és un fenomen d'un alt acoplament a on dominen els efectes no-perturbativos. L'equació semiclásica per al camp gluónico ve donada per:

A on:

${𝐆}_{\mu \nu }$ és el camp gluónico combinat per a tots els tipos de gluones, que és formalment similar al tensor de camp electromagnètic.

${𝐀}_{\mu }$ és la suma de potencials vectorials gluónicos, que formalment és anàlec al potencial vectorial electromagnètic.

${𝐉}^{\nu }$ és la densitat de càrrega de color.

$[\cdot ,\cdot ]$, és el paréntesis del àlgebra de Lie de SU(3).

Esta equació és reminiscente de les equacions de Maxwell que donen el camp electromagnètic en térmens de les corrents i càrregues, no obstant el terme entre corchetes introduïx una diferència fonamental. De fet, eixe terme està associat a una diferència essencial entre els gluones i els fotons: els gluones tenen càrrega de color i poden interaccionar entre ells, front als fotons que al no posseir càrrega elèctrica no interaccionen entre sí. Eixa diferència crucial se supon és lo que fa que l'interacció electromagnètica tinga un alcanç potencialment infinit front al molt curt alcanç de l'interacció forta.

No obstant, no ha pogut provar-se rigorosament si la capacitat d'interacció dels gluones entre sí podria explicar tots els detalls del confinament. Les equacions semiclásiques del camp gluónico constituïxen un sistema d'equacions complicat per a 8 tipos de gluones que interaccionen entre sí. El seu tractament quàntic és encara més complicat al no poder-se realisar perturbativament.