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

I gluoni (dall'inglese glue, colla) sono i bosoni di gauge dell'interazione forte. Hanno carica elettrica zero, elicità 1 e generalmente si assume che abbiano massa nulla. Dato che sono bosoni vettori hanno spin pari a 1.

Analogamente al fotone nell'interazione elettromagnetica, nella cromodinamica quantistica i gluoni mediano l'interazione tra le particelle dotate di carica di colore tenendo uniti i quark negli adroni, in particolare nei protoni e nei neutroni garantendo la stabilità del nucleo atomico. Quando due quark si scambiano un gluone la loro carica di colore cambia. Diversamente dai fotoni, che sono elettricamente neutri, i gluoni possiedono anch'essi, come i quark, una carica di colore, potendo interagire tra loro; questa caratteristica rende la cromodinamica una teoria più complicata rispetto all'elettrodinamica quantistica. I gluoni sono soggetti al fenomeno del confinamento, per il quale non possono esistere isolati ma solo a gruppi. Il loro stato legato viene definito glueball (palla di colla).

Le prime evidenze sperimentali dell'esistenza dei gluoni furono trovate all'inizio degli anni 1980 nel 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.

Energia del gluone

Pur essendo privi di massa, i gluoni possiedono comunque energia, in analogia ai fotoni che, anch'essi privi di massa, trasportano una quantità di energia proporzionale alla loro frequenza, come stabilito dalla legge di Planck. La quantità di energia per singolo gluone, o "energia gluonica", non è direttamente misurabile a causa del confinamento, che non consente l'isolamento di un singolo gluone, ma può essere dedotta da esperimenti di scattering anelastico profondo (in inglese deep inelastic scattering: DIS). Di conseguenza non esiste una formula semplice per calcolare l'energia gluonica, come invece accade per il fotone. Lo studio del plasma di quark e gluoni dovrebbe contribuire a chiarire meglio i risultati.

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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Collegamenti esterni

• gluone, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) Christine Sutton, gluon, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• 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.