Carga de cor - Color charge

A carga de cor é uma propriedade dos quarks e glúons que está relacionada às fortes interações das partículas na teoria da cromodinâmica quântica (QCD).

A "carga de cor" dos quarks e glúons não tem nenhuma relação com o significado cotidiano da cor . O termo cor e os rótulos vermelho, verde e azul tornaram-se populares simplesmente por causa da analogia com as cores primárias. Richard Feynman se referiu a seus colegas como "físicos idiotas" por escolherem o nome confuso.

As partículas têm antipartículas correspondentes . Uma partícula com carga vermelha, verde ou azul tem uma antipartícula correspondente na qual a carga colorida deve ser a anticolor vermelha, verde e azul, respectivamente, para que a carga colorida seja conservada na criação e aniquilação da antipartícula da partícula . Os físicos de partículas chamam isso de antired, antigreen e antiblue. Todas as três cores misturadas, ou qualquer uma dessas cores e seu complemento (ou negativo) , é "incolor" ou "branco" e tem uma carga de cor líquida igual a zero. Devido a uma propriedade de interação forte chamada confinamento de cor , as partículas livres devem ter uma carga de cor igual a zero: um bárion é composto de três quarks, cada um com as cores vermelha, verde e azul; da mesma forma, um antibárion é composto de três antiquarks, um de cada um antired, antigreen e antiblue. Um mesão é feito de um quark e um antiquark; o quark pode ser de qualquer cor e o antiquark tem o anticolor correspondente. Essa carga colorida difere da carga elétrica porque a carga elétrica tem apenas um tipo de valor (sendo 1), enquanto a carga colorida tem dois valores (sendo 1/3 e 2/3). No entanto, a carga colorida também é semelhante à carga elétrica, pois a carga colorida também possui uma carga negativa correspondente a cada tipo de valor.

Pouco depois que a existência de quarks foi proposta pela primeira vez em 1964, Oscar W. Greenberg introduziu a noção de carga de cor para explicar como os quarks poderiam coexistir dentro de alguns hádrons em estados quânticos idênticos sem violar o princípio de exclusão de Pauli . A teoria da cromodinâmica quântica está em desenvolvimento desde a década de 1970 e constitui um componente importante do modelo padrão da física de partículas.

Vermelho, verde e azul

Na cromodinâmica quântica (QCD), a cor de um quark pode assumir um de três valores ou cargas: vermelho, verde e azul. Um antiquark pode ter um dos três anticolores: chamados antired, antigreen e antiblue (representados como ciano, magenta e amarelo, respectivamente). Gluons são misturas de duas cores, como vermelho e antigreen, que constituem sua carga colorida. QCD considera oito glúons das nove possíveis combinações cor-anticolor como únicos; veja oito cores de glúon para uma explicação.

O seguinte ilustra as constantes de acoplamento para partículas carregadas de cor:

As cores do quark (vermelho, verde, azul) combinam para serem incolores
Os anticolores quark (anti-avermelhado, anti-azul) também se combinam para serem incolores

Um hádron com 3 quarks (vermelho, verde, azul) antes de uma mudança de cor
O quark azul emite um glúon anti-verde azul
O quark verde absorveu o glúon anti-verde azul e agora é azul; cor permanece conservada
Uma animação da interação dentro de um nêutron. Os glúons são representados como círculos com a carga colorida no centro e a carga anticolor na parte externa.

Linhas de campo de cargas coloridas

Análogo a um campo elétrico e cargas elétricas, a forte força agindo entre as cargas coloridas pode ser representada usando linhas de campo. No entanto, as linhas do campo de cores não se expandem tanto para fora de uma carga para outra, porque são unidas fortemente pelos glúons (dentro de 1 fm ). Esse efeito confina os quarks dentro dos hádrons .

Campos devido a cargas de cor, como em quarks ( G é o tensor de força de campo de glúon ). Estas são combinações "incolores". Superior: A carga colorida tem "estados neutros ternários", bem como neutralidade binária (análoga à carga elétrica ). Embaixo: Combinações de quark / antiquark.

Constante de acoplamento e carga

Em uma teoria quântica de campos , uma constante de acoplamento e uma carga são noções diferentes, mas relacionadas. A constante de acoplamento define a magnitude da força de interação; por exemplo, em eletrodinâmica quântica , a constante de estrutura fina é uma constante de acoplamento. A carga em uma teoria de calibre tem a ver com a maneira como uma partícula se transforma sob a simetria de calibre; ou seja, sua representação no grupo de medidores. Por exemplo, o elétron tem carga -1 e o pósitron tem carga +1, o que implica que a transformação do calibre tem efeitos opostos sobre eles em algum sentido. Especificamente, se uma transformação de calibre local $ϕ (x)$ é aplicada em eletrodinâmica, então se descobre (usando a notação de índice de tensor ):

{\ displaystyle ~ A _ {\ mu} \ to A _ {\ mu} + \ partial _ {\ mu} \, \ phi (x) ~, \ quad}

{\ displaystyle \ quad \ psi \ to \ exp \ left [\, + i \, Q \ phi (x) \, \ right] \; \ psi ~, \ quad}

{\ displaystyle \ quad {\ bar {\ psi}} \ to \ exp \ left [\, - i \, Q \ phi (x) \, \ right] \; {\ bar {\ psi}} ~}

onde é o campo de fótons , e $ψ$ é o campo de elétrons com $Q$ $= -1$ (uma barra sobre $ψ$ denota sua antipartícula - o pósitron). Como QCD é uma teoria não abeliana , as representações e, portanto, as cargas de cor são mais complicadas. Eles são tratados na próxima seção. ${\ displaystyle A _ {\ mu}}$

Campos de quark e glúon e cargas coloridas

O padrão de cargas fortes para as três cores de quark, três antiquarks e oito glúons (com dois de carga zero sobrepostos).

Em QCD, o grupo de calibre é o grupo não abeliano SU (3) . O acoplamento em execução é geralmente denotado por α _s . Cada sabor de quark pertence à representação fundamentais ( 3 ) e contém um tripleto de campos em conjunto denotados por $ψ$ . O campo do antiquark pertence à representação do conjugado complexo ( 3 ^* ) e também contém um tripleto de campos. Nós podemos escrever

{\ displaystyle \ psi = {\ begin {pmatrix} \ psi _ {1} \\\ psi _ {2} \\\ psi _ {3} \ end {pmatrix}}}

e

{\ displaystyle {\ overline {\ psi}} = {\ begin {pmatrix} {\ overline {\ psi}} _ {1} ^ {*} \\ {\ overline {\ psi}} _ {2} ^ { *} \\ {\ overline {\ psi}} _ {3} ^ {*} \ end {pmatrix}}.}

O gluon contém um octeto de campos (ver campo gluon ), e pertence à representação adjunta ( 8 ), e pode ser escrito usando as matrizes de Gell-Mann como

{\ displaystyle {\ mathbf {A}} _ {\ mu} = A _ {\ mu} ^ {a} \ lambda _ {a}.}

(há um somatório implícito sobre a = 1, 2, ... 8). Todas as outras partículas pertencem à representação trivial ( 1 ) da cor SU (3) . A carga de cor de cada um desses campos é totalmente especificada pelas representações. Quarks têm uma carga de cor vermelha, verde ou azul e os antiquarks têm uma carga de cor anti-avermelhado, anti-verde ou anti-azul. Os glúons têm uma combinação de duas cargas de cor (uma de vermelho, verde ou azul e uma de anti-avermelhado, anti-verde ou anti-azul) em uma superposição de estados que são dados pelas matrizes de Gell-Mann. Todas as outras partículas têm carga de cor zero. Matematicamente falando, a carga de cor de uma partícula é o valor de um certo operador Casimir quadrático na representação da partícula.

Na linguagem simples introduzida anteriormente, os três índices "1", "2" e "3" no tripleto quark acima são geralmente identificados com as três cores. A linguagem colorida perde o seguinte ponto. Uma transformação de calibre na cor SU (3) pode ser escrita como $ψ \to U ψ$ , onde $U$ é uma matriz $3 \times 3$ que pertence ao grupo SU (3). Assim, após a transformação do medidor, as novas cores são combinações lineares das cores antigas. Resumindo, a linguagem simplificada introduzida antes não é invariante de calibre.

Representação de linha de cor do vértice QCD

A carga colorida é conservada, mas a contabilidade envolvida nisso é mais complicada do que apenas somar as cargas, como é feito na eletrodinâmica quântica. Uma maneira simples de fazer isso é examinar o vértice de interação em QCD e substituí-lo por uma representação de linha colorida. O significado é o seguinte. Deixe $ψ i$ representar a $i$ -ésima componente de um campo de quark (vagamente chamada de $i$ -ésima cor). A cor de um glúon é similarmente dada por $A,$ que corresponde à matriz de Gell-Mann particular com a qual está associado. Esta matriz possui índices $i$ e $j$ . Esses são os rótulos de cores do glúon. No vértice de interação temos $q i \to g i j + q j$ . A representação da linha de cores rastreia esses índices. A conservação da carga de cor significa que as extremidades dessas linhas de cor devem estar no estado inicial ou final, de forma equivalente, que nenhuma linha se quebra no meio de um diagrama.

Representação de linha de cor do vértice de 3 glúons

Como os glúons carregam carga colorida, dois glúons também podem interagir. Um vértice de interação típico (chamado de vértice dos três glúons) para glúons envolve g + g → g. Isso é mostrado aqui, junto com sua representação de linha de cor. Os diagramas de linha de cor podem ser reformulados em termos de leis de conservação de cor; no entanto, como observado antes, esta não é uma linguagem invariante de calibre. Observe que, em uma teoria de calibre não abeliana típica, o bóson de calibre carrega a carga da teoria e, portanto, tem interações desse tipo; por exemplo, o bóson W na teoria eletrofraca. Na teoria eletrofraca, o W também carrega carga elétrica e, portanto, interage com um fóton.

Veja também

Referências

Leitura adicional

Georgi, Howard (1999), Lie algebras in particle physics , Perseus Books Group, ISBN 978-0-7382-0233-4.
Griffiths, David J. (1987), Introdução às Partículas Elementares , Nova York: John Wiley & Sons, ISBN 978-0-471-60386-3.
Christman, J. Richard (2001), "Color and Charm" (PDF) , documento do Projeto PHYSNET MISN-0-283 Link externo em |work=( ajuda ) .
Hawking, Stephen (1998), A Brief History of Time , Bantam Dell Publishing Group, ISBN 978-0-553-10953-5.
Close, Frank (2007), The New Cosmic Onion , Taylor & Francis, ISBN 978-1-58488-798-0.

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