Gluone

Gluone
Diagramma di Feynman con l'emissione di un gluone (g)
Composizione	Particella elementare
Famiglia	Bosone
Gruppo	Bosone di gauge
Interazioni	Interazione forte
Simbolo	g
N° tipi	8
Proprietà fisiche
Massa	0 MeV/c2 (Valore teorico) < 20 MeV/c2 (Limite sperimentale)
Carica elettrica	0
Carica di colore	sì, ottetto di gluoni indipendenti
Spin	1
N° stati di spin	2

Un gluone (da glue, inglese per colla) è una particella elementare che agisce come particella mediatrice dell'interazione forte tra i quark, analogamente al fotone nell'interazione elettromagnetica tra due particelle cariche. In parole povere, i gluoni "incollano" insieme i quark, formando adroni, come i protoni e i neutroni.

Nel contesto tecnico della cromodinamica quantistica, i gluoni sono bosoni vettori di gauge che interagiscono con le particelle dotate di carica di colore. Poiché anche i gluoni stessi possiedono la carica di colore, interagiscono tra di loro. Ciò li differenzia dai fotoni i quali, seppur interagiscano con particelle cariche, sono neutri. Il fatto che i mediatori dell'interazione partecipino alla stessa è uno dei fattori che rende la cromodinamica una teoria più complicata rispetto all'elettrodinamica quantistica.

Hanno carica elettrica zero, elicità 1 e generalmente si assume che abbiano massa nulla. Dato che sono bosoni vettori di gauge hanno spin pari a 1. Il loro stato legato viene definito glueball (palla di colla).

Concetti generali

I gluoni sono bosoni di gauge che mediano la forza cromatica tra la carica di colore dei quark nella cromodinamica quantistica (QCD). Essendo responsabili dell'attrazione fra i quark negli adroni, come per esempio i protoni e i neutroni, garantiscono la stabilità del nucleo atomico.

A differenza del fotone, mediatore dell'interazione elettromagnetica che non ha carica elettrica ed è magneticamente neutro, i gluoni, essendo dotati di carica di colore, risentono dell'interazione forte. I gluoni possono quindi interagire tra loro e sono soggetti al fenomeno del confinamento, per il quale non possono esistere isolati ma solo a gruppi (glueball). Quando due quark si scambiano un gluone la loro carica di colore cambia.

Le prime evidenze sperimentali dell'esistenza dei gluoni furono trovate all'inizio degli anni '80 nell'collisore di elettroni e positroni PETRA del DESY di Amburgo, quando vennero trovate evidenze di una tripla emissione nelle collisioni tra un elettrone ed un protone. Mentre la presenza di 2 jet era attribuita all'emissione di una coppia quark-antiquark, la terza emissione fu interpretata come l'ulteriore emissione di un gluone (immediatamente "rivestito" in un jet) da parte di uno dei due quark.

Carica di colore

Nel contesto della cromodinamica quantistica (QCD), la carica di colore è una proprietà dei quark e dei gluoni che è in relazione con la loro interazione forte. Ciò è analogo alla nozione di carica elettrica delle particelle, ma il fatto che il gluone sia dotato di carica di colore, a differenza del fotone che è elettricamente neutro, comporta differenze sia formali sia sostanziali tra la QCD e l'elettrodinamica quantistica (QED). Il colore di quark e gluoni non ha nulla a che vedere con i colori percepiti dall'occhio umano.

Poco dopo la proposta dell'esistenza dei quark avvenuta nel 1964, Oscar W. Greenberg avanzò il concetto di carica di colore per spiegare come quark con caratteristiche identiche possono coesistere all'interno degli adroni e al contempo soddisfare il principio di esclusione di Pauli.

Composizione dei gluoni

I gluoni hanno due componenti di carica di colore: un colore e un anti-colore. Chiamando $r,\,g$ e $b$ le componenti rosse, verdi e blu (red, green e blue), i gluoni base possibili dovrebbero essere nove:

$r{\bar {r}},r{\bar {g}},r{\bar {b}},g{\bar {r}},g{\bar {g}},g{\bar {b}},b{\bar {r}},b{\bar {g}},b{\bar {b}}$

Una possibile base di gluoni è la seguente (ottetto dei colori):

• $(r{\bar {b}}+b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}$
• $-i(r{\bar {b}}-b{\bar {r}})/{\sqrt {2}}$
• $(r{\bar {g}}+g{\bar {r}})/{\sqrt {2}}$
• $-i(r{\bar {g}}-g{\bar {r}})/{\sqrt {2}}$
• $(b{\bar {g}}-g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}$
• $-i(b{\bar {g}}-g{\bar {b}})/{\sqrt {2}}$
• $(r{\bar {r}}-b{\bar {b}})/{\sqrt {2}}$
• $(r{\bar {r}}+b{\bar {b}}-2g{\bar {g}})/{\sqrt {6}}$

Un'altra possibile scelta della base di gluoni è:

• $(r{\bar {g}})$
• $(r{\bar {b}})$
• $(g{\bar {b}})$
• $(g{\bar {r}})$
• $(b{\bar {r}})$
• $(b{\bar {g}})$
• $(r{\bar {r}}-g{\bar {g}})/{\sqrt {2}}$
• $(r{\bar {r}}+g{\bar {g}}-2b{\bar {b}})/{\sqrt {6}}$

Quindi vi sono in realtà solo 8 gluoni indipendenti.

Bibliografia

• David J. Griffiths, Introduction to Elementary Particles, John Wiley & Sons, 1987, ISBN 0-471-60386-4.
• Andrey Grozin, Heavy quark effective theory, Berlino, Springer, 2004, ISBN 3-540-20692-2.
• William Kaufmann (a cura di), Particles & Fields, ed. speciale, Scientific American, 1980.
• P. Söding, On the discovery of the gluon, in European Physical Journal H, vol. 35, n. 1, 2010, pp. 3–28, DOI:10.1140/epjh/e2010-00002-5.

Voci correlate

• Quark (particella)
• Adrone
• Bosone di gauge
• Glueball
• Cromodinamica quantistica
• Matrici di Gell-Mann
• Modello standard
• Evento a tre jet
• Plasma di quark e gluoni

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• Wikizionario
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Collegamenti esterni

• Summary tables in the "Review of particle physics", su pdg.lbl.gov.
• DESY glossary, su desy.de.
• Logbook of gluon discovery, su symmetrymag.org.
• Why are there eight gluons and not nine?, su math.ucr.edu.
• gluone, su treccani.it. URL consultato il 13 ottobre 2019 (archiviato dall'url originale il 18 luglio 2019).