¿Cuál es la definición de color (el estado cuántico)?

Escuchaste bien. Pero tenga en cuenta que esto no tiene nada que ver con el color real. La razón por la que la propiedad se llamó así se debe a las similitudes accidentales en la forma en que se mezclan los colores y porque ciertos físicos tienen un extraño sentido del humor.

electrodinámica cuántica

Tenga en cuenta que de lo que están hablando es de carga de color . Por lo tanto, parece útil revisar primero las propiedades de las cargas (eléctricas) normales. Hablemos de electrones, por ejemplo. Sabemos por la física clásica que los objetos cargados producen un campo electromagnético a su alrededor y este campo, a su vez, afecta a las partículas cargadas. En la teoría cuántica uno tiene que cuantificar este campo. El cuanto del campo electromagnético es el fotón, por lo que la teoría cuántica nos dice que los objetos cargados interactúan electromagnéticamente intercambiando fotones.

_{(fuente: stanford.edu )}

Lea la imagen de izquierda a derecha. El electrón irradia fotón, esto hace que cambie de dirección y el otro electrón lo absorbe cambiando también de dirección. Esta es la forma en que la teoría cuántica explica la interacción electromagnética.

Cromodinámica cuántica

Nota: la discusión a continuación no será técnicamente precisa debido a la complejidad inherente de la teoría cuántica. Desarrollaré ciertos puntos en un párrafo separado después de esto.

Con el conocimiento anterior en nuestro haber, ya no es tan difícil describir la cromodinámica cuántica (del griego Χρώμα, croma que significa color). En lugar de carga eléctrica, los objetos pueden transportar la llamada carga de color. Pero no hay uno solo de ellos, sino tres: rojo, verde, azul (sí, esta es una de las similitudes superficiales con el color habitual).

Bien, necesitamos un ingrediente más en nuestra teoría, algo que reemplace a los fotones. Tal partícula existe y se llama gluón . Pero tenga en cuenta que si bien era suficiente tener solo un tipo de fotón (porque solo había una carga eléctrica), necesitamos más gluones para mediar en varios tipos de interacciones (por ejemplo, la interacción entre el quark rojo y el quark azul, que estaría mediada por rojo -gluón antiazul, etc.). Así que tenemos nueve tipos de gluones en total, ¿verdad? Bueno, en realidad solo hay ocho de ellos y este es uno de los tecnicismos que abordaré más adelante.

Tenga en cuenta que la cromodinámica cuántica predice que los estados unidos de las partículas coloreadas deben ser "blancos", lo que significa que, por ejemplo, debe contener tres partículas, una roja, una azul y una verde (esta es otra similitud con la mezcla de colores real). Las partículas "blancas" que contienen tres quarks se llaman bariones y debes conocer al menos dos de ellas: protones y neutrones. En realidad, resulta que hay más de un tipo de quark (seis en realidad) y se obtienen varias partículas al mezclar diferentes tipos de ellas. Dos quarks luces se llaman arriba y abajo . El protón contiene dos subidas y una bajada, mientras que el neutrón contiene una subida y dos bajadas. Bien, veamos cómo funciona esto:

Este es un diagrama bastante complicado porque no pude encontrar nada más simple, pero déjame tratar de explicar lo que está pasando. El quark azul del protón entrante emite un gluón antirojo azul y, al hacerlo, cambia a rojo y también cambia un poco de dirección. Este gluón luego es atrapado por su quark rojo y este lo cambia a azul y lo expulsa del protón. Algo similar ocurre con el quark green up, con la única diferencia de que al final el antiblue up se expulsa del protón. Entonces tenemos un par arriba/abajo azul-antiazul. Esta es una partícula de color neutro y se llama pion .

Desde el punto de vista del neutrón, se aplica exactamente la misma discusión, así que espero que esto esté al menos un poco claro ahora. Lo que esa imagen realmente explica es cómo se explican las interacciones fuertes protón - neutrón en el núcleo desde el punto de vista de la cromodinámica cuántica.

tecnicismos

Toda la discusión anterior se incluye en las llamadas teorías de calibre. Son teorías que contienen cierto número de cargas,$N$(p.ej$N = 1$para el electromagnetismo) y cierto número de partículas de interacción. Pero para especificar su número, primero tenemos que hablar del grupo de simetrías de dicha teoría.

Para el electromagnetismo este grupo es$U(1)$que es unidimensional, por lo que solo hay un fotón. Para interacciones débiles hay dos cargas, los llamados sabores y el grupo que corresponde a eso es$SU(2)$; éste es tridimensional, por lo que obtenemos tres partículas mediadoras:$Z, W^{\pm}$. Para interacciones fuertes, hay tres colores y el grupo que describe su mezcla es$SU(3)$. Este es de ocho dimensiones, dándonos ocho gluones. También se podría intentar usar$U(3)$grupo, que es de nueve dimensiones. Pero esto se descarta por experimento (!). Para entender por qué, permítanme precisar otras afirmaciones que simplifiqué mucho.

En la teoría cuántica, los estados son a menudo por superposición de otros estados más elementales. Resulta que cuando se habla de gluón antirojo azul, lo que en realidad se quiere decir es la superposición

$${1 \over \sqrt 2} \big( \big|b\big>\big|\bar r\big> + \big|\bar b\big>\big| r\big> \big)$$

y lo mismo en otros casos. Esto se debe a que existen ciertas condiciones de simetría impuestas a la teoría y este estado es invariante si intercambiamos$b$y$r$(no lo sería si contuviera solo una parte); pero, por supuesto, sería doloroso leer explícitamente esa fórmula todo el tiempo que uno quiera hablar de gluones; por lo tanto la simplificación.

Ahora, como mencionamos, los estados enlazados o partículas reales tienen que ser de color neutro. Resulta que los propios gluones podrían crear un estado escalar

$${1 \over \sqrt 3} \big( \big|b\big>\big|\bar b\big> + \big|r\big>\big|\bar r\big> + \big|g\big>\big|\bar g\big> \big)$$

Si este estado existiera en la naturaleza, entonces existiría una interacción de gluones de largo alcance. Pero sabemos que no. Así que el grupo real es más pequeño, solo$SU(3)$y nos quedan ocho gluones.

Permítanme dar una respuesta sencilla y básica aquí; tal vez alguien más pueda dar más detalles.

La mejor manera de pensar en el color es algo análogo a la carga en el electromagnetismo. (De hecho, el color a menudo se denomina carga de color ). Es la propiedad fundamental de las partículas relacionadas con la fuerza fuerte y, al igual que la carga eléctrica, se presenta en valores discretos (denominados rojo, verde y azul; sin embargo, no los tome literalmente). Tenga en cuenta, sin embargo, que la integración fuerte funciona de una manera mucho más compleja que el electromagnetismo (Maxwellian, o incluso la electrodinámica cuántica).

El artículo de Wikipedia dice:

El "color" de los quarks y gluones no tiene ninguna relación con la percepción visual del color.[1] Más bien, es un nombre caprichoso para una propiedad que casi no se manifiesta a distancias superiores al tamaño de un núcleo atómico. Se eligió el término color porque la propiedad abstracta a la que se refiere tiene tres aspectos, que se asemejan a los tres colores primarios rojo, verde y azul.[2] En comparación, la carga electromagnética tiene un solo aspecto, que toma los valores positivos o negativos.