Física

Cromodinámica Cuántica

Publicado por Monica González

La QCD (sigla inglesa para cromodinámica cuántica) es una parte integral del modelo atómico estándar.

El nombre cromodinámica viene del hecho de que las partículas que interactúan a través de la fuerza fuerte tienen una propiedad denominada color, que puede ser dicha como un análogo de carga eléctrica.

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Es universalmente aceptada como la teoría fundamental de las interacciones fuertes. La estructura de esa teoría guarda relación con la electrodinámica cuántica (QED). Las interacciones electromagnéticas no diferencian partículas que tengan la misma carga eléctrica. Así, un electrón es un antiprotón –ambos negativos – parecerían ser la misma partícula desde el punto de vista de un fotón, si no fuese por su diferencia de masa entre ambas partículas.

El fotón solo distingue la estructura de un protón si tuviese una energía muy grande – o sea, de largo de onda corto – .

De forma semejante, desde el punto de vista de los gluones – cuyo papel es análogo al que el fotón desempeña en la QED – los quarks son esencialmente idénticos, tengan el sabor que tengan – los quarks se presentan con seis sabores o tipos: up, down, strange, charm, top y bottom.

Como decimos, en la naturaleza, cualquier carga eléctrica puede ser transformada a partir de dos elementos básicos. En contraste, el color forma una tríade, lo que hace con que cada sabor de quark se presente con tres formas (colores) diferentes.

Esa sutil diferencia – o sea, el cambio de dos para tres posibilidades – tiene consecuencias profundas. La más relevante es que el gluón, la partícula intermediaria de la fuerza fuerte, también tiene color y por eso, la fuerza entre los quarks aumenta con la distancia de separación – vale recordar que en la QED, la fuerza disminuye con el cuadrado de la distancia. Como la fuerza no puede aumentar indefinidamente, al separarse dos quarks, la energía contenida en el enlace entre ellos se transforma en pares de quarks – antiquarks – o sea en mésones.

En la colisión entre protones y antiprotones en aceleradores, varios quarks son creados y se materializan en la forma de decenas de variedades de mesones, la mayoría piones. Así se vuelve imposible aislar quarks o gluones, pues ellos son confinados en mesones o bariones.

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En contraste, los experimentos que llevaron a la identificación de los quarks como entidades reales – realizados con el esparcimiento de electrones y posteriormente neutrinos con energías muy altas por nucleón – mostraron también que los quarks se portan como si fuesen libres,  cuando son examinados por haces de partículas con largos de onda muy cortos.

El experimento que demostró la realidad de los quarks fue liderado por los norteamericanos Jerome Friedman y Henry Kendall (1926-1999), así como por el canadiense Richard Taylor que recibieron el Nobel de Física de 1990 por el descubrimiento.

La prueba teórica de que la QCD tiene la propiedad de la libertad asintótica – o sea de que los quarks son libres cuando examinados de cerca – dio ese premio en 2004 a 3 norteamericanos David Gross, Frank Wilczek y David Politzer.

Por tanto, la QCS tiene esos comportamientos completamentarios: confina los quarks y gluónes en régimenes de bajas energías y permite que ellos sean libres en procesos de altas energías.

Dentro de los protones y neutros, los quarks son entidades extremadamente livianos. Sin embargo los protones y neutrones son centenas de veces más pesados.

Uno de los mayores objetivos de la QCD en la red es calcular las masas y otras propiedades básicas de las partículas que interactúan fuertemente, tanto para testear los límites de validad de la propia QCD cuanto para calcular cantidades físicas adicionales que no están bien determinadas experimentalmente.

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