Cromodinámica Cuántica: Aprende sobre quarks, gluones y las fuerzas fundamentales que mantienen unidos a los protones y neutrones en el núcleo atómico.
Cromodinámica Cuántica | Quarks, Gluones y Fuerzas
La cromodinámica cuántica (QCD, por sus siglas en inglés) es la teoría que describe la interacción fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Esta interacción es responsable de mantener unidos a los quarks dentro de protones, neutrones y otras partículas subatómicas. A diferencia de la interacción electromagnética, que actúa sobre las cargas eléctricas, la interacción fuerte actúa sobre lo que se conoce como “carga de color”.
Quarks
Los quarks son partículas elementales que poseen una propiedad única llamada “carga de color”. Existen seis tipos de quarks, o “sabores”: arriba (u), abajo (d), encanto (c), extraño (s), cima/encima (t) y fondo/abajo (b). Los quarks se combinan de varias formas para formar partículas más grandes, como protones y neutrones. Un dato interesante es que los quarks nunca se encuentran solos en la naturaleza debido a una propiedad conocida como “confinamiento”.
- Quark arriba (u)
- Quark abajo (d)
- Quark encanto (c)
- Quark extraño (s)
- Quark cima/encima (t)
- Quark fondo/abajo (b)
Los quarks tienen cargas fraccionales de +2/3 o -1/3. Por ejemplo, un quark arriba tiene una carga de +2/3, mientras que un quark abajo tiene una carga de -1/3. La combinación de los quarks dentro de partículas como los protones y neutrones resulta en partículas cargadas entera y/o eléctricamente neutras.
Gluones
Los gluones son las partículas mediadoras de la interacción fuerte, similares a cómo los fotones median la interacción electromagnética. Los gluones llevan la carga de color y pueden interactuar entre sí, lo que hace que la interacción fuerte sea mucho más compleja que la electromagnética. Hay ocho tipos de gluones debido a la combinación de cargas de color.
Uno de los aspectos más fascinantes de los gluones es que ellos mismos llevan carga de color, lo que les permite interactuar con otros gluones. Esta propiedad es diferente de los fotones, que no tienen carga y no interactúan entre sí. Esta interacción gluon-gluon resulta en el “confinamiento” de quarks y gluones, lo que significa que estas partículas no pueden ser observadas de forma aislada, sólo en combinaciones que forman partículas sin carga de color neta.
Teoría de la Cromodinámica Cuántica
La QCD es una teoría gauge basada en el grupo de simetría SU(3), lo que significa que la teoría tiene un tipo específico de simetría que se mantiene bajo ciertas transformaciones. Esta teoría se representa matemáticamente utilizando ecuaciones conocidas como las ecuaciones de Yang-Mills, que son derivadas de la acción de Yang-Mills:
\[
S = \int d^4x \left( -\frac{1}{4} F_{\mu\nu}^a F^{a\mu\nu} + \sum_i \bar{\psi}_i (i \gamma^\mu D_\mu – m_i) \psi_i \right)
\]
Aquí, \(F_{\mu\nu}^a\) es el tensor de campo de fuerza que describe los gluones, \(\psi_i\) son los campos de los quarks, \(\gamma^\mu\) son las matrices gamma de Dirac y \(D_\mu\) es el derivado covariante que incluye la interacción con los gluones. La acción \(S\) nos permite derivar las ecuaciones de movimiento para los campos de quarks y gluones mediante el principio de mínima acción.
El Confinamiento de Quarks y Gluones
El confinamiento es una característica intrigante de la QCD y se refiere al fenómeno en el cual los quarks y gluones no pueden ser aislados o extraídos de las partículas compuestas como protones y neutrones. Cuando intentas separar los quarks, la energía requerida aumenta a medida que los quarks se alejan uno del otro. En lugar de ver quarks aislados, se crean nuevos pares de quarks-antiquarks que forman nuevas partículas compuestas.
Un concepto relacionado es la “fuerza de color”, que se vuelve más fuerte a medida que los quarks se separan, a diferencia de la fuerza electromagnética que disminuye con la distancia. Esto ha sido confirmado a través de experimentos de dispersión profunda inelástica y otros estudios en física de partículas.
Fuerza Nucleónica
La interacción fuerte no solo une a los quarks dentro de partículas como protones y neutrones, sino que también mantiene unidos a estos nucleones dentro del núcleo atómico. Esta manifestación de la fuerza fuerte se llama “fuerza nuclear residual” y es responsable de la estabilidad de los núcleos atómicos. Sin esta fuerza, los protones en el núcleo, que se repelen entre sí debido a su carga positiva, no podrían mantener la cohesión del núcleo.
La fuerza nuclear residual se puede entender como una manifestación indirecta de la fuerza de color. A distancias cortas, los nucleones intercambian piones (otra forma de mesón, que es a su vez una combinación de un quark y un antiquark), lo que produce una fuerza atractiva suficientemente fuerte como para mantener el núcleo estable.