Gluon

El gluon (de la voz inglesa glue 'pegamento', derivada a su vez del latín glūten a través del francés gluer 'pegar') es el bosón portador de la interacción nuclear fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales. Es análogo al intercambio de fotones en la fuerza electromagnética entre dos partículas cargadas.^[6]​ No posee masa ni carga eléctrica, pero sí carga de color, por lo que además de transmitir la interacción fuerte también la sufre.

Gluon (g) g
Clasificación	Partícula elemental
Familia	Bosón
Grupo	Bosón de gauge
Interacción	Interacción nuclear fuerte
Antipartícula	Ella misma
Teorizada	Murray Gell-Mann (1962)^[1]​
Descubierta	TASSO collaboration at DESY (1979)^[2]​^[3]​
Tipos	8
Masa	0 MeV/c^2 (valor teórico)^[4]​ < 20 MeV/c^2 (límite experimental)^[5]​
Vida media	Estable
Carga eléctrica	0 e^[4]​
Carga de color	octeto (8 tipos)
Espín	${\displaystyle 1\hbar ;}$
[editar datos en Wikidata]

Nombre y carga eléctrica de los componentes de la materia.

La teoría que postula la existencia de los gluones y describe su dinámica se denomina cromodinámica cuántica. El nombre hace alusión a "pegamento" (glue), ya que estas partículas son las que "unen" los quarks dentro de los nucleones.

Propiedades

Al igual que el fotón, el gluon es un bosón sin masa, con espín 1. Como los quarks, los gluones tienen carga de color, que depende del cambio de color de los quarks.

Los quarks cambian de color cuando se intercambian gluones, de tal forma que la carga de color total del sistema formado por el quark y el gluon, antes y después de la emisión o absorción es la misma.

Por ejemplo, si un quark 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 quark, y el antiazul es para anular el azul que el quark 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 quarks y los gluones forman partículas compuestas con carga de color total neutra (se suele decir que las partículas compuestas son blancas).

La masa de los hadrones

Los gluones forman también parte de los hadrones, y la energía del campo de color que crean es la responsable de la mayoría de la masa del mismo ${\displaystyle (E=mc^{2})}$ . En el caso del protón se puede ver que:

${\displaystyle m_{u}+m_{u}+m_{d}\neq m_{p}\,\,\,\,\,\,\,\,3+3+6\neq 938\,({\mbox{MeV/c}}^{2})}$ 

Por lo que gran parte de la masa del protón es atribuible a la energía del campo de color.

Comportamiento de los gluones

Confinamiento de los quarks

Al sufrir ellos mismos su propia interacción, los gluones que unen los quarks crean un campo de Yang-Mills de color que impide que los quarks 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^-15 metros (más o menos el tamaño de un núcleo atómico).

Al contrario que la fuerza eléctrica o la gravitatoria, si se intenta separar entre sí un par de quarks, el campo de color tira de ellos con mucha más fuerza; es como si los quarks estuvieran unidos por un "muelle gluónico", que intenta volver a su longitud inicial. Debido a esto, los quarks y los gluones son partículas muy difíciles de detectar y solo podemos ver las partículas que ellos forman, los hadrones.

Cuando se separan tanto dos quarks unidos mediante este muelle, se acumula tanta energía en el sistema que es más fácil para el mismo crear nuevos quarks para devolver el campo de color a un estado menos energético. Esto es resultado de convertir parte de la energía del campo de color en nueva materia ${\displaystyle (E=mc^{2})}$ .

Interacción nuclear fuerte residual

A pesar de que los hadrones tienen carga de color neutra, los quarks de distintos hadrones pueden atraerse con mucha fuerza, en el caso de los nucleones incluso mayor que la electromagnética. 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 de cargas positivas que posee.

Esta fuerza residual puede describirse de manera aproximada mediante un campo de Yukawa que representa una interacción mediada por piones que son partículas masivas lo cual explicaría que la fuerza nuclear decae mucho más rápido que la ley de la inversa del cuadrado siendo la intensidad de esta fuerza virtualmente nula fuera del núcleo atómico.

Campo gluónico

La descripción matemática de la interacción de los gluones entre sí y con los quarks es descrita por la cromodinámica cuántica. En ese contexto los gluones son descritos como un campo gluónico que es un campo de Yang-Mills asociado a una simetría de gauge del tipo SU(3). El lagrangiano que describe la interacción de los gluones entre sí y con los quarks viene dado por:

${\displaystyle {\mathcal {L}}_{\mathrm {QCD} }=\mathbf {\bar {q}} i{\boldsymbol {\gamma }}^{\mu }\partial _{\mu }\mathbf {q} -\mathbf {\bar {q}} m\mathbf {q} -g{\bar {q}}{\boldsymbol {\gamma }}^{\mu }{\boldsymbol {\tau }}_{a}G_{\mu }^{a}\mathbf {q} -{\frac {1}{4}}G_{\mu \nu }^{a}G_{a}^{\mu \nu }}$ 

Donde la intensidad del campo gluónico viene dada por el tensor antisimétrico o 2-forma ${\displaystyle \scriptstyle G_{a}^{\mu \nu }}$ , mientras que la distribución espacial de los quarks viene dada por el espinor multicomponente ${\displaystyle \scriptstyle \mathbf {q} }$ .

Véase también

• Interacción nuclear fuerte
• Cromodinámica cuántica
• Teoría de campo de gauge
• Fuerzas Fundamentales

Referencias

1. Gell-Man, F. (1962). «Symmetries of Baryons and Mesons». Physical Review 125: 1067-1084. doi:10.1103/PhysRev.125.1067. 
2. R. Brandelik et al. (TASSO collaboration) (1979). «Evidence for Planar Events in e⁺e^- Annihilation at High Energies». Phys. Lett. B 86: 243-249. doi:10.1016/0370-2693(79)90830-X. 
3. Flegel, I; Söding, P (2004). «Twenty-Five Years of Gluons». DESY: Cern Courrier. 
4. W.-M. Yao et al., J. Phys. G 33, 1 (2006) Consultado diciembre de 2007
5. Yndurain, F. (1995). «Limits on the mass of the gluon*1». Physics Letters B 345: 524. doi:10.1016/0370-2693(94)01677-5. 
6. C.R. Nave. «The Color Force». HyperPhysics. Georgia State University, Department of Physics. Consultado el 2 de abril de 2012. 

Para más información

• A. Ali and G. Kramer (2011). «JETS and QCD: A historical review of the discovery of the quark and gluon jets and its impact on QCD». European Physical Journal H 36 (2): 245-326. Bibcode:2011EPJH...36..245A. S2CID 54062126. arXiv:1012.2288. doi:10.1140/epjh/e2011-10047-1. 

• Cambridge Handout 8 : Quantum Chromodynamics - Particle Physics

Enlaces externos

•   Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Gluon.
• Particle data group (en inglés)
• La aventura de las partículas

•   Datos: Q3299
•   Multimedia: Gluons / Q3299