Gluones

Los gluones son las partículas de intercambio de la fuerza de color entre los quarks, de forma análoga al intercambio de fotones en la fuerza electromagnética entre dos partículas cargadas. El gluón se considera como un bosón vectorial sin masa con espín 1. El gluón puede ser considerado como la partícula de intercambio fundamental, que subyace en la interacción fuerte entre los protones y los neutrones en un núcleo. Esa interacción de corto alcance nucleón-nucleón, puede ser considerada como una fuerza de color residual, que se extiende fuera de los límites de los protones o de los neutrones. Esa interacción fuerte fue modelada por Yukawa como consistente en un intercambio de piones, y de hecho, el cálculo del alcance del pión, fue útil en el desarrollo de nuestra comprensión de la fuerza fuerte.

Las interacciones de los gluones son a menudo representadas por un diagrama de Feynman. Téngase en cuenta que el gluón genera un cambio de color en los quarks. Los gluones son de hecho considerados como bicoloreados, llevando una unidad de color y una unidad de anti-color como se sugiere en el diagrama de la derecha. El dibujo del intercambio de gluones, convierte un quark azul en uno verde y viceversa. El rango de la fuerza fuerte está limitado por el hecho de que los gluones interactúan unos con otros, así como con los quarks, en el contexto del confinamiento de quarks. Estas propiedades contrastan con la de los fotones, que no tienen masa y son de alcance infinito. El fotón no lleva consigo carga eléctrica, mientras que los gluones llevan "carga de color".

Dentro de su alcance de aproximadamente un Fermi, los gluones pueden interactuar unos con otros, y pueden producir pares virtuales quark-antiquark. La característica de la interacción entre sí, es muy diferente de las otras partículas de intercambio, y plantea la posibilidad de existencia de colecciones de gluones denominado "glueballs" (bolas de gluones). El estado interno de un hadrón se considera compuesto de un número fijo neto de quarks, pero con una nube dinámica de gluones y pares de quarks-antiquarks en equilibrio.

Diagramas de Feynman

Los diagramas de Feynman son formas gráficas para representar las fuerzas de intercambio. Cada punto en el que las líneas se unen se llama vértice, y en cada vértice se puede examinar las leyes de conservación que rigen las interacciones de partículas. Cada vértice debe conservar la carga, el número de bariones y el número de leptones.

Los diagramas desarrollados por Feynman para describir las interacciones en la electrodinámica cuántica (QED), han encontrado uso en la descripción de una variedad de interacciones de partículas. Son diagramas espacio-tiempo, ct vs x. El eje del tiempo apunta hacia arriba y el eje de espacio a la derecha. (Los físicos de partículas a menudo revierten esa orientación). Las partículas están representados por líneas con flechas para indicar la dirección de su recorrido, con las antipartículas teniendo sus flechas invertidas. Las partículas virtuales están representados por líneas onduladas o discontinuas y no tienen flechas. Todas las interacciones electromagnéticas se puede describir con combinaciones de diagramas primitivos como este.

Sólo las líneas que entran o salen del diagrama, representan las partículas observables. Aquí entran dos electrones, intercambian un fotón, y luego salen. Los ejes de tiempo y espacio no se indican normalmente. La dirección vertical indica el progreso del tiempo hacia arriba, pero la separación horizontal no da la distancia entre las partículas.

Se puede representar otro proceso electromagnético, como en los ejemplos de abajo. Una flecha hacia atrás representa la antipartícula, en estos casos un positrón. Téngase en cuenta que el tiempo avanza hacia arriba, y que una flecha hacia abajo no es una partícula progresando hacia abajo, sino una antipartícula progresando hacia arriba (hacia adelante en el tiempo).

Después de introducirse para los procesos electromagnéticos, los diagramas de Feynman tambien fueron desarrollados para las interacciones débiles y fuertes. Las formas de vértices primitivos de estas tres interacciones son

Las interacciones de partículas pueden ser representadas por diagramas con al menos dos vértices. Se pueden dibujar para protones, neutrones, etc., incluso aunque sean objetos compuestos, La interacción puede ser visualizada como si fuera entre sus quarks constituyentes.

Diagramas de Feynman para:

Bosones Vectoriales Intermedios

Las partículas W y Z son las partículas de intercambio masivas, que están implicadas en la interacción nuclear débil, la fuerza débil entre los electrones y los neutrinos. Fueron predichas por Weinberg, Salam y Glashow en 1979 y medidas en el CERN en 1982. La predicción incluía las masas de estas partículas, como parte de la teoría unificada de las fuerzas electromagnética y débil, la unificación electrodébil. "Si las fuerzas débiles y electromagnéticas son esencialmente las mismas, entonces también deben tener la misma intensidad. El hecho de que las intensidades experimentalmente observadas sean completamente diferentes, se atribuye a las masas de las partículas W y Z bajo ciertas condiciones, una fuerza de gran intensidad puede tener el aspecto de una fuerza de pequeña intensidad, si la partícula que lleva la fuerza es muy masiva. Los cálculos teóricos muestran que en un nivel fundamental, si las partículas W y Z tienen masas de 80 y 90 GeV, respectivamente, las fuerzas débiles y electromagnéticas tienen la misma intensidad." Las masas medidas en el CERN fueron de 82 y 93 GeV, una confirmación brillante de la unificación electrodébil.

Los experimentos en el CERN detectaron un total de 10 bosones W, y 4 bosones Z. En el experimento ampliado en el Tevatron del Fermilab conocido como "Run 1" (1992-96), la instalación del detector D0 midió más de 100.000 partículas W. El valor D0 para la masa de la W es de 80,482 +/- 0,091 GeV. Los valores actuales que combinan los experimentos en el Tevatron y en el colisionador electrón-positrón LEP, del CERN son M_W = 80,41 +/- 0,18 GeV, y M_Z = 91,1884 +/- 0,0022 GeV.

Las Propiedades de los Bosones W y Z

Las partículas W y Z son llamadas bosones vectoriales intermedios, y son las partículas de intercambio de la interacción débil. La interacción débil visualizada en el diagrama de Feynman de abajo, es responsable de la descomposición del neutrón en el decaimiento beta.

Los bosones W participan en la transformación de quarks en la que se cambia el sabor del quark. El bosón neutrón Z no participa en el cambio de sabor de quarks, por lo que sus interacciones son más difíciles de detectar. Interactúa al influir en las secciones transversales de dispersión de neutrinos, en lo que se llaman "corrientes neutrales".

Los bosones W pueden decaer por una serie de procesos, y esto proporciona una variedad de rutas de decaimientos en aquellas partículas que se desintegran por la interacción débil. Un ejemplo interesante es el decaimiento del mesón D. Diagramas de Feynman de Transformaciones de Quarks

El Fotón

El fotón es el nombre dado a un cuanto de luz o de otra radiación electromagnética. La energía del fotón se da en la fórmula de Planck. El fotón es la partícula de intercambio responsable de la fuerza electromagnética. La fuerza entre dos electrones se puede visualizar en términos de un diagrama de Feynman como se muestra abajo. El rango infinito de la fuerza electromagnética, se debe a la masa en reposo cero, del fotón. Aunque que el fotón tiene masa en reposo cero, tiene un momento finito, exhibe deflexión por un campo de gravedad, y puede ejercer una fuerza.

El fotón tiene un momento angular intrínseco o "espín" de 1, por lo que las transiciones electrónicas que emiten un fotón, deben dar lugar a un cambio neto de 1 en el momento angular del sistema. Esta es una de las "reglas de selección" para las transiciones de electrones.

El Gravitón

El gravitón es la partícula de intercambio de la fuerza de la gravedad. Aunque no ha sido observada directamente, puede deducirse un número de sus propiedades por la naturaleza de la fuerza. Puesto que la gravedad es una fuerza del inverso del cuadrado, de rango aparentemente infinito, se puede entender que la masa en reposo del gravitón sea cero. Las fuerzas son transmitidas por los bosones incluyendo el fotón para la fuerza electromagnética y los bosones W y Z para la interacción débil. Asociado con la fuerza de color, los gluones son las partículas de intercambio. Todos estos excepto el gravitón tienen espín 1, pero el gravitón tiene espín 2.

Los experimentos actuales LIGO y VIRGO tratan de detectar ondas gravitacionales, que podrían considerarse como colecciones coherentes de gravitones.