Cromodinámica cuántica

La cromodinámica cuántica, abreviada como QCD (cromodinámica cuántica), es la teoría física que describe la interacción fuerte. Componente del modelo estándar, cuyo nombre deriva por analogía de QED (electrodinámica cuántica), es una teoría cuántica del campo que describe la interacción entre quarks, y, en consecuencia, que entre nucleones, matemáticamente descrito como una teoría de gauge no es abeliana con el grupo de simetría SU(3) (la teoría de Yang - Mills), en el que los quarks se presenta en forma de tripletti. Es principalmente una teoría no perturbativa, debido a efectos tales como confinamiento, condensados fermiónicos e instantes (a altas energías los efectos no perturbativos disminuyen y QCD puede ser tratado como electrodinámica cuántica, aunque los aspectos más importantes para la física moderna son aquellos a bajas energías). El procesamiento, que comenzó en los años cincuenta del siglo XX, se completó en su forma actual a principios de los años setenta, con la mayor parte del trabajo teórico realizado con modelos de celosía y simulación por ordenador tridimensional.

Con la invención de la cámara de burbujas y la cámara de centelleo en los años cincuenta, se descubrió un número creciente de partículas físicas sujetas a una fuerte interacción, llamadas hadrones. Rápidamente quedó claro que un número tan grande de partículas no podía ser fundamental. Algunas regularidades en las interacciones de estas partículas pueden explicarse como consecuencia de la preservación de un número cuántico llamado isospín o espín isotópico, una cantidad física matemáticamente análoga al espín e introducida por Werner Karl Heisenberg. Más tarde, en 1953, fue necesario introducir un número cuántico adicional, el Extrañeza, propuesto por Murray Gell - Mann y Kazuhiko Nishijima en particular para explicar la vida media anormalmente larga de algunas partículas. Gell-Mann y Yuval Ne''eman además hipotetizaron que la extrañeza e isospin podrían combinarse en un grupo de simetría más grande. Esta hipótesis fue llamada "Vía óctuple" porque este grupo de simetría, llamado SU (3), tiene ocho generadores independientes. En particular, implica que los hadrones forman multipletes, es decir, grupos que tienen propiedades relacionadas y masa similar. Gell-Mann y George Zweig propusieron en 1963 que esta propiedad se debía al hecho de que los hadrones se forman combinando tres constituyentes fundamentales, llamados quarks por Gell - Mann y ace de Zweig, cada uno de los cuales se transforma de acuerdo con la representación del grupo fundamental SU(3). En este punto, una partícula, El Δ++, permaneció misteriosa; en el modelo de quarks se compone de tres quarks ascendentes con espines paralelos. Sin embargo, dado que los quarks son fermiones, esta combinación parecía violar el principio de exclusión de Pauli. En 1965, Moo-young Han y Yōichirō Nambu resolvieron el problema proponiendo que los quarks poseen un grado adicional de libertad SU(3), más tarde llamado carga de Color. Notaron que los quarks pueden interactuar debido a un octeto de bosones portadores de gauge: gluones. Dado que la búsqueda de quarks libres había fallado consistentemente, se pensó que los quarks eran simplemente construcciones matemáticas inventadas ad hoc y no partículas realmente existentes. Richard Feynman argumentó que los experimentos de alta energía mostraron que los quarks eran reales: los llamó Partones, como parte de los hadrones. Aunque el estudio de la interacción fuerte aún no se comprende completamente, el descubrimiento de la libertad en lo asintótico (propiedad de algunas teorías de gauge en las que las interacciones entre ciertas partículas, como los quarks, se vuelven arbitrariamente débiles a una distancia muy baja) por David Gross, David Politzer y Frank Wilczek permitió hacer predicciones precisas sobre los resultados de muchos experimentos uso de las técnicas de la teoría perturbativa de la mecánica cuántica James Bjorken propuso que ciertas relaciones podrían persistir en la dispersión profundamente inelástica de electrones y protones, lo que fue espectacularmente demostrado en experimentos realizados en 1969 en el Stanford Linear Accelerator Center (SLAC). La existencia de gluones se demostró en 1979 durante experimentos con el acelerador Hamburg HERA. Estos experimentos se han vuelto cada vez más precisos, culminando en la confirmación de QCD perturbativo en un nivel de error de unos pocos puntos porcentuales por el LEP (Gran Colisionador electrón - positrón) del CERN en Ginebra. En el extremo opuesto de la libertad asintótica está el confinamiento. Dado que la fuerza entre las cargas de color no disminuye con la distancia, se cree que los quarks y los gluones nunca pueden separarse de los hadrones. Este postulado de la teoría ha sido verificado por medio de cálculos de QCD en red, pero no ha sido probado matemáticamente. Uno de los Premios del Milenio anunciado por el Instituto de matemáticas de arcilla requiere que el candidato para producir esta prueba. Otros aspectos del QCD no perturbativo son la exploración de fases de materia de quarks, incluyendo plasma de quarks y gluones.

Los números cuánticos asociados con esta teoría (y que pueden asociarse con las diversas partículas) son sabor y color : de estos últimos tres diferentes están asociados con quarks y ocho con gluones. El lagrangiano que describe las interacciones entre quarks y gluones es: donde g s es la constante de acoplamiento de QCD, y f abc son las constantes de la estructura del álgebra de SU(3) (que resulta ser un grupo de simetría, dijo SU(3)). Los campos q I q (x) son espinores de Dirac asociados con cada uno de los campos de color I y sabor Q quark, mientras que los de A A μ (x) son los campos Yang - Mills (los gluones). Finalmente, los coeficientes λ a ij son constantes de acoplamiento en forma de matriz, llamadas matrices de Gell-Mann. Tales matrices obedecen a la siguiente relación de conmutación: QCD posee dos propiedades peculiares: el término quark fue acuñado por Murray Gell-Mann inspirado en la frase "tres quarks para Muster Mark" que se encuentra en la novela de James Joyce Finnegans Wake. Los tres tipos de carga en QCD, son comúnmente llamados carga de Color; Los Tres colores son rojo, verde y azul y no tienen nada que ver con los colores percibidos por el ojo humano; es simplemente una terminología elegante ya que de alguna manera tuvo que ser llamado este tipo de "carga" . Dado que la teoría de la carga eléctrica tomó el nombre de "electrodinámica" , el término griego "Croma" (Χρώμα, color) se ha aplicado a la teoría de la carga de color, es decir, "cromodinámica" . Cada aspecto teórico de la física de partículas se basa en ciertas simetrías de la naturaleza cuya existencia se infiere de observaciones experimentales. Las simetrías pueden ser: QCD es una teoría de gauge del grupo de simetría en (3) que se obtiene mediante el uso de la carga de color para definir una simetría local. Debido a que la interacción fuerte no discrimina entre diferentes sabores de quarks, QCD tiene una simetría de sabor aproximada que se rompe por la diferente masa de quarks. Hay otras simetrías globales cuya definición requiere la introducción del concepto de quiralidad que se distingue en dextrofia y levogyra. Por ejemplo, si el espín de una partícula tiene una dirección igual a la dirección de movimiento de la partícula misma, se llama quiralidad de levogyra, mientras que si tiene una dirección opuesta, se llama quiralidad de dextrosa. Son: el grupo de colores on (3) corresponde a la simetría local cuya medición da mayor crédito al QCD. La carga eléctrica define una representación de la simetría local del grupo U (1) que se mide para determinar el QED: este es un grupo abeliano. Si se considera una variante de QCD con sabor N f de quarks sin masa, se obtiene un grupo simétrico de sabor global (quiral) S U L ( Y f ) × S U R ( Y f ) × U B ( 1 ) × U A ( 1 ) {\displaystyle SU_{L}(n_{f})\times SU_{R}(n_{f})\times U_{B} (1)\times u_{A}(1)} . La simetría quiral se rompe espontáneamente desde el vacío QCD al vector (L + R) S U V ( Y f ) {\displaystyle SU_{V} (n_{f})} con la formación de un condensado quiral. Simetría vectorial U B ( 1 ) {\displaystyle U_{B} (1)} corresponde al número bariónico de quarks y es una simetría exacta. Simetría Axial U A ( 1 ) {\displaystyle U_{a} (1)} es exacto en la teoría clásica pero roto en la teoría cuántica que se llama una anomalía. Las configuraciones de campo gluónico llamadas instantáneas están estrechamente relacionadas con esta anomalía. Nota: en muchas aplicaciones QCD se pueden ignorar sabores fuertes (encanto, parte superior e inferior). En este caso, el grupo de sabor real a menudo está en (3), que no debe confundirse con el grupo de Color. En QCD el grupo de colores es parte de una simetría local y desde ese momento se mide. El grupo de sabores no se mide. La forma óctuple se basa en el grupo de sabores y no considera la simetría local que da el QCD. Los Quarks son fermiones que tienen masa y espín 1/2 que llevan una carga de color cuya medida es el contenido del QCD. Los Quarks están representados por campos Dirac en la representación fundamental 3 del grupo gauge en (3). También están equipados con una carga eléctrica (- 1/3 o 2/3) y participan en una interacción débil como parte de un isospin doble. Poseen números cuánticos que incluyen el número bariónico (que es 1/3 para cada quark), la Hipercarga y uno de los números cuánticos de sabor. Los gluones son bosones con spin 1 y también son portadores de carga de color para que estén posicionados en la representación agregada 8 de SU (3). No poseen carga eléctrica, no participan en los procesos de interacción débil y no saben. Se colocan en la única representación 1 de todos estos grupos simétricos. Cada quark tiene su propio anti-quark. La carga de cada anti-quark es exactamente lo opuesto a la carga del quark correspondiente. El lagrangiano de QCD, considerado sin color, sabor y espín, es muy similar al de la electrodinámica cuántica: donde F representa el Tensor del campo de gluón, ψ el campo de quarks, y D la derivada covariante. Parte de este contenido entra en las reglas de Feynman que dicen que todos los procesos que tienen lugar dentro de la teoría se pueden rastrear hasta los vértices, es decir, a las interacciones elementales qqg, ggg y gggg. En pocas palabras, un quark puede emitir y absorber un gluón, un gluón puede emitir y absorber otro gluón, y dos o más gluones pueden interactuar directamente entre sí, formando una glueball. En QED, sin embargo, solo puede ocurrir el primer tipo de vértice, ya que los fotones no tienen carga.

El QCD, creado para explicar el comportamiento de protones y neutrones en colisiones a partir de un modelo de Partón simple, se puede aplicar en varias áreas y en varias interacciones:

El análisis posterior del contenido de esta teoría es algo complicado. Se han propuesto varias técnicas para trabajar con QCD. Algunos de ellos se describen a continuación. La QCD perturbativa es un tipo de enfoque basado en la libertad asintótica que permite que la teoría perturbativa sea utilizada en experimentos a energías extremadamente altas. Aunque las posibilidades son limitadas, este enfoque se ha observado en pruebas QCD más precisas. Entre los enfoques no perturbativos de QCD, el más conocido es lattice QCD (en inglés lattice QCD). Este método utiliza un sistema discreto, es decir, no continuo, de puntos espacio - tiempo llamado una red que reduce el modelo a integrales analíticamente no calculables de la teoría del continuo (espacio-tiempo) a una serie de cálculos numéricos extremadamente difíciles para los que es necesario utilizar supercomputadoras. Aunque este método es lento y computacionalmente pesado, es el único que se puede aplicar concretamente para el análisis de aspectos de la teoría que de otro modo serían impenetrables. Un esquema aproximado bien conocido, la expansión 1/N, se origina a partir de la premisa de que el número de colores es infinito y realiza una serie de correcciones que lo hacen considerar como si no lo fuera. Hasta ahora ha sido la fuente de análisis cualitativo profundo en lugar de un método de predicción cuantitativa. Una variante moderna incluye el enfoque AdS / CFT. El QCD describe una gran variedad de fenómenos, desde reacciones nucleares en estrellas hasta la formación de protones, es una teoría muy rica y en la que los cálculos son muy complicados. Entre las teorías, la real más bien utilizada, podemos considerar la teoría de la perturbación quiral, donde las partículas fundamentales son hadrones, se ataron quark como los piones, y las masas de los quarks son insignificantes, la teoría efectiva de Quark pesado HQET es efectiva Quark pesado), en la que la masa del quark es más pesada involucrada en el proceso (generalmente la parte superior o inferior) se considera casi infinita, y el SCET (teoría partículas de baja energía), que describe la emisión suave y montañosa de partículas de alta energía y ahora se usa ampliamente para el cálculo de procesos de LHC Sin embargo, si uno está interesado en estudiar una categoría específica de procesos, a veces es posible desarrollar teorías efectivas que capturen los aspectos más importantes de QCD para esa categoría. De esta manera usted es capaz de proporcionar predicciones muy precisas con una cantidad menor de cálculos que la teoría completa, pero a costa de tener resultados precisos solo para esa categoría específica. El concepto de sabor quark fue introducido para explicar las propiedades de los hadrones durante el desarrollo del modelo quark. El concepto de color se hizo necesario debido a la variedad de Δ++. Esto ya ha sido considerado en la sección de Historia de este capítulo. La primera confirmación de que los quarks son verdaderos bloques de construcción de Hadrones se obtuvo en experimentos en SLAC. La primera confirmación de la existencia de gluones se obtuvo con el Hamburg Hera accelerator. Se están llevando a cabo excelentes pruebas cuantitativas para demostrar aún más la teoría perturbativa de QCD, como la producción de bosones vectoriales, la producción de quarks pesados, la dispersión profundamente inelástica, etc. Las pruebas demostrativas de la teoría no perturbativa de QCD son inferiores en número porque las predicciones son muy difíciles de obtener. El mejor de ellos es probablemente la prueba de acoplamiento QCD como se demuestra mediante el cálculo de la red de espectros pesados de quarkonium. Hay datos recientes sobre la masa del Mesón pesado B C. Otras pruebas no perturbativas se están llevando a cabo actualmente en el mejor de los casos 5%. El trabajo sobre las masas y los factores de forma de los hadrones continúa, y los elementos débiles de la matriz son candidatos prometedores para futuras pruebas cuantitativas. Todo el tema de la materia de quarks y el plasma de quarks y gluones es un campo de pruebas no perturbativas para QCD que todavía queda por investigar adecuadamente.

Cromodinámica cuántica

Kaonic de hidrógeno

El hidrógeno kaónico es un átomo exótico que consiste en un Kaon cargado negativamente orbitando alrededor de un protón. Se estudia principalmente para entender...

Fantasma de Faddeev-Popov

En física, los fantasmas de Faddeev-Popov (también llamados campos fantasmas) son campos adicionales que se han introducido en las teorías de gauge para permiti...

Átomos exóticos

Física atómica

Mesón

Física nuclear

Teorías de campo

Esta página se basa en el artículo de Wikipedia: Fuente, Autores, Licencia Creative Commons Reconocimiento-CompartirIgual.
This page is based on the Wikipedia article: Source, Authors, Creative Commons Attribution-ShareAlike License.
contactos
Política de privacidad , Descargos de responsabilidad