¿Por qué los quarks y los gluones tienen color?

Las colisiones de partículas de alta energía implican la producción de una plétora de partículas diferentes. Un ejemplo es$\Delta^{++}$, que consta de tres quarks up en el mismo estado de espín. Dado que los quarks son fermiones, parece que se viola el principio de exclusión de Pauli, a menos que haya otro número cuántico (lo llamamos color ) en el que los tres quarks arriba sean diferentes entre sí (por lo que debe haber al menos tres "valores" distintos). para el color).

Mirando ahora la aniquilación de un electrón y un positrón, se pueden comparar dos procesos:$e^+e^- \to q\bar q$(resultando en la producción de hadrones) y$e^+e^- \to \mu^- \mu^+$. La teoría cuántica de campos nos dice que las secciones transversales de estos dos procesos son proporcionales al cuadrado de las cargas de los productos, sumados sobre todas las especies de quarks posibles, es decir

dónde$e_q$es la carga eléctrica de los respectivos quarks y$n_c$es el número de cargas de colores distintos. La evidencia experimental apunta fuertemente a$n_c = 3$, tal que hay tres cargas de color distintas (llamadas rojo , verde y azul ).

En Física Teórica, particularmente en Teoría Cuántica de Campos, las ecuaciones rectoras de una teoría se suelen construir de manera que sean invariantes con respecto a ciertos grupos de simetría , correspondientes a simetrías y cantidades conservadas en las propiedades de las partículas descritas. Habiendo descubierto que hay tres cargas de color distintas, uno puede intentar encontrar el grupo de simetría para la teoría de los quarks que interactúan fuertemente.

Resulta que usando el grupo de Lie$SU(3)$es consistente con todas las observaciones consideradas (incluida la inexistencia de partículas coloreadas libres, etc.). Construyendo un Lagrangiano adecuado que sea invariante bajo$SU(3)$da como resultado términos de interacción que incluyen objetos que pueden interpretarse como gluones, con todas las propiedades que probablemente esté tratando en su conferencia. La teoría desarrollada de esta manera se llama Cromodinámica Cuántica (QCD).

La razón por la que solo hay 8 gluones, aunque ingenuamente uno podría esperar 9, es de naturaleza teórica grupal. Tiene que ver con representaciones/generadores de$SU(3)$y es un tema en sí mismo.

Para obtener más información sobre esto, puede tomar un curso sobre Teoría cuántica de campos tan pronto como tenga todos los preliminares o consultar la literatura sobre simetrías de calibre en física de partículas (p. ej., Chris Quigg, Teorías de calibre de las interacciones electromagnéticas, débiles y fuertes ) .

Tu título y tu texto hacen preguntas diferentes, la primera sobre quarks y la segunda sobre gluones. Además, lo que realmente está preguntando no es "¿Por qué ... tienen color?" sino "¿Por qué decimos ... tienen color", ya que la respuesta a la primera es algo así como "Si no tuvieran color, no serían quarks, serían leptones". Pero habiendo aclarado todo eso, respondamos la pregunta que creo que estás haciendo.

Decimos que los quarks tienen color, como señala @Qmechanic, porque hay algunos bariones que se componen de 3 quarks idénticos (en el mismo estado de espín) como el$\Delta^{++}$que está hecho de 3$u$quarks, por lo que el principio de Pauli requiere otros números cuánticos con (al menos) 3 valores. A riesgo de confundir a la gente, esto se llama color con 3 cargas, rojo y azul y verde.

Las direcciones elegidas para el$r$,$g$y$b$los ejes son arbitrarios. Usamos esto en el argumento de la simetría de calibre (como para las cargas y el fotón) y requerimos que el Lagrangiano (o la ecuación de Dirac) no cambie si los ejes se giran localmente. Para que esto funcione, encontramos que necesitamos introducir un nuevo término que, al examinarlo, describa una partícula sin masa, es decir, predecimos el gluón.

Sin embargo, los términos de gluón introducidos son más complicados que los de fotón. Además del índice espacio-tiempo deben tener dos índices correspondientes al color. Entonces escribimos$A_\mu$pero$g_\mu^{ab}$dónde$a$y$b$atropellar$rgb$. (Uno es en realidad un anticolor). Y hay términos de interacción de gluones, por lo tanto, los gluones son coloreados e interactúan entre sí.

La interacción con uno mismo no tiene nada que ver con la combinación sin color. Así como dos mitades de partículas de espín pueden combinarse para dar un triplete de espín 1 y un singulete de espín 0, así un color y un anticolor se combinan para dar un octeto coloreado o un singulete incoloro.$3 \times \overline 3= 8+1$

Las otras respuestas parecen estar respondiendo preguntas como "¿Por qué decimos que los quarks tienen color?" o "¿Por qué planteamos la hipótesis de que los quarks tienen color?"

Sin embargo, si la pregunta es literalmente, por qué los quarks y los gluones tienen color... esto es solo un postulado básico del modelo estándar. Puede decirlo de manera más técnica, que hay una simetría de calibre SU(3) local y que los quarks y antiquarks se transforman en las representaciones de 3 y 3 barras de esa simetría, y luego puede decir cómo eso conduce a "tener color".

Pero al final, es solo un postulado (o una hipótesis, o un axioma si estás pensando deductivamente)... una suposición que aparentemente es correcta, una de las suposiciones que define la mejor teoría cuántica de campos que tenemos para describir la física de partículas. . Uno de los puntos de partida, en función del cual se explica todo lo demás sobre los hadrones. En tus palabras: “solo porque explica lo que observamos”.

Para encontrar una explicación genuina de por qué los quarks y los gluones son así, necesita algo más fundamental que el modelo estándar. En una gran teoría unificada, se podría decir que los quarks tienen tres colores porque el potencial escalar que rompe el grupo de simetría unificada tiene ciertas propiedades, de modo que deja un SU(3) intacto. En un modelo de teoría de cuerdas, se podría decir que los quarks tienen tres colores porque en realidad son cuerdas abiertas, un extremo de las cuales termina en una pila de tres branas. Una teoría cosmológica que explica por qué la teoría de cuerdas termina en un vacío particular, o un argumento antrópico de por qué es probable que nos encontremos en un tipo particular de vacío, serían otros tipos de explicación.

Así que definitivamente hay teorías no probadas que ofrecen posibles explicaciones. Pero por ahora, de nuevo en tus palabras, la respuesta real se desconoce.