¿Por qué se cree que los gluones no tienen masa?

Question

Preguntas anteriores con un título similar se referían al corto alcance de la fuerza fuerte. Mi pregunta es completamente diferente. Me gustaría saber por qué los gluones se consideran sin masa en el Modelo Estándar (independientemente del alcance de la fuerza fuerte). Por ejemplo, si la masa es el resultado de las interacciones del bosón de Higgs, ¿por qué los gluones no interactúan con el bosón de Higgs? Además de las razones teóricas, ¿hay alguna prueba experimental de que los gluones no tengan masa? (Soy consciente de que tales experimentos no son fáciles, debido al confinamiento).

En el pasado, los neutrinos también se consideraban sin masa, pero ya no. ¿Existe una posibilidad similar de que los gluones tengan quizás una pequeña masa invariante o hay una razón primordial para que sean definitivamente sin masa?

EDIT: La respuesta que he estado buscando está en lo más profundo de los comentarios de abajo y no se ve inmediatamente. Para que quede claro, la repito aquí: Para interactuar con un bosón, una partícula (el bosón de Higgs) debe tener una carga mediada por este bosón. El bosón de Higgs tiene una carga débil y por lo tanto interactúa con los bosones W y Z dándoles masa. El bosón de Higgs no tiene carga eléctrica ni de color, por lo que no interactúa con el fotón ni con los gluones, dejándolos sin masa.

Answer 1

En pocas palabras, el bosón de Higgs no está cargado por la fuerza fuerte. Tampoco tiene carga eléctrica estándar. El $W^{\pm},Z$ bosones adquieren una masa a través del mecanismo de Higgs porque el propio Higgs está cargado bajo la fuerza débil. Los leptones adquieren masa a través del mecanismo de Higgs porque también interactúan con el Higgs.

Sin interacción Higgs no hay masa efectiva.

Usted pregunta por qué el bosón de Higgs no interactúa con los gluones. Tiene que ver con los números cuánticos (cargas) de las partículas fundamentales en el modelo estándar. Resulta que no está permitido elegir libremente los números cuánticos de las diferentes partículas. Si eliges mal, violarías la invariancia gauge y tendrías una teoría inconsistente. Esto impone restricciones relativamente estrictas a los números cuánticos permitidos. Anomalía del manómetro para más detalles.

Básicamente, los números cuánticos conocidos de las otras partículas del modelo estándar restringen los números cuánticos permitidos del Higgs, prohibiendo específicamente una interacción gluón-higgs. si quisieras añadir esa interacción, implicarías necesariamente la existencia de otras partículas para equilibrar todas las cargas de la teoría. No sé si eso sería posible, pero es cuestión de álgebra sencilla averiguarlo.

Answer 2

Hay que tener claro que el modelo estándar, que tiene la estructura SU(3)xSU(2)xU(1) se denomina estándar porque describe extremadamente bien un enorme número de datos sobre partículas y tiene éxito en sus predicciones para nuevos experimentos. Como Luc J. Bourhis analiza en su respuesta, esto no impide a los teóricos explorar más allá de las teorías del modelo estándar.

El modelo estándar es un modelo teórico de campo cuántico, lo que significa que tiene predicciones precisas para evaluar los diagramas de Feynman que se utilizarán para ajustar o predecir los datos experimentales. En su estructura matemática no hay ningún vértice simple, es decir, de orden inferior, ( los bucles de orden superior pueden dar una interacción) entre los bosones electrodébiles (W, Z, γ) de la mesa y el gluón .

Así, por construcción de las matemáticas del modelo, el gluón no "ve" el campo de Higgs. Como la existencia misma del concepto de gluón depende de las matemáticas del modelo estándar, nuestra "creencia" en el modelo estándar significa gluones sin masa. Existen otras teorías más allá del modelo estándar , que pueden dar un acoplamiento, ( ejemplo ) pero están más allá del modelo estándar. Tenga por seguro que los experimentos comprobarán cualquier discrepancia con el modelo estándar que pudiera deberse a un gluón masivo.

Pregunta en el comentario:

¿Podría explicar cómo pasó de los bosones débiles al campo de Higgs?

Tiene que ver con el hecho de que los diagramas de Feynman se formulan con reglas específicas sobre los campos de todas las partículas elementales de la tabla, incluido el campo de Higgs. Así que en un simple diagrama de dispersión e-e-,

los operadores de creación/aniquilación de electrones operan secuencialmente sobre el campo de electrones, cuando un electrón creado interactúa con el campo de fotones y los operadores de creación de fotones crean un fotón virtual, que interactúa con el campo de electrones y crea un electrón saliente.

Así, en la teoría de campos, la constante de acoplamiento del vértice debe existir con el campo para que la interacción pueda producirse y, en este caso, pueda generarse un fotón.

Debido a la masa cero no hay constante de acoplamiento para el campo vértice gluon-higgs, para generar un higgs virtual y continuar desde ahí. Sólo los bucles de quarks superiores pueden actuar es decir, pegamento a q q_bar, bucle de Higgs virtual Mesón de Higgs procedente de la fusión de gluones.

Editar después de la edición de OP:

Esto está bien para el Higgs bosón pero no para el Higgs campo

El bosón de Higgs tiene una carga débil, por lo que interactúa con los bosones W y Z, dándoles masa. El bosón de Higgs no tiene carga eléctrica ni de color, por lo que no interactúa con el fotón ni con los gluones, dejándolos sin masa.

La masa las partículas elementales del Mesa SM adquirir proviene de la interacción con el CAMPO DE HIGGS no el Bosón de Higgs. El bosón de Higgs es sólo otra partícula masiva en la tabla de partículas elementales:

Estas son las únicas masas que el Campo de Higgs genera. incluido el propio bosón de Higgs. Todas las demás masas proceden de las relaciones de relatividad especial, la masa invariante de los cuatro vectores sumados de partículas compuestas.

El modelo estándar tiene un Lagrangiano que describe las simetrías SU(3)xSU(2)xU(1) observadas experimentalmente en los datos de partículas y cualquier comparación depende de los cálculos del diagrama de Feynman dentro de este modelo, donde hay reglas estrictas para los vértices de intercambio.

Cada partícula elemental de la tabla define un campo en el espacio de cuatro dimensiones, y la partícula se considera una excitación en este campo. El electrón es una excitación del campo del electrón, el bosón de Higgs es la exitación del campo de Higgs.

Las partículas elementales de la tabla no adquieren masa intercambiando nada en forma de diagramas de Feynman. La masa se adquiere una vez, en el momento de ruptura de simetría de las interacciones electrodébiles, donde el tres acoplamientos se acercan entre sí :

cuando los acoplamientos del débil y el electromagnético cambian debido al campo de Higgs. Hay que estudiar matemáticamente esto para convencerse, pero el hecho es , que el modelo estándar tal como se conoce ahora describe prácticamente todos los datos de la física de partículas y es muy predictivo de los nuevos, como muestra la experiencia del LHC.

Los gluones carecen de masa por construcción al igual que el fotón, y al igual que el Z y el W carecían de masa antes de la ruptura de simetría .

Una vez más, es el Higgs Campo que da las masas a las partículas elementales , no al bosón.

Answer 3

No estoy de acuerdo con @Mr.Weather. Al final todos los argumentos teóricos no se sostienen mucho. Podríamos tener una masa de gluones muy pequeña, lo que rompería la belleza matemática del Modelo Estándar, pero con consecuencias tan pequeñas que aún no nos hemos dado cuenta. El juez definitivo es el experimento. Experimentos cada vez más precisos. Veamos entonces cómo podemos dar una masa a los gluones.

0. Advertencia: masa fundamental frente a masa efectiva

Los gluones, como los quarks, adquieren una masa efectiva a través de la dinámica de la QCD: ingenuamente se visten con nubes de gluones. Tener en cuenta dicha masa de gluones, que es del orden de 1 GeV, ha demostrado ser importante para explicar los resultados experimentales de la desintegración $J/Psi\to gg\gamma$ y decaimientos similares de $\Upsilon$ . Esto es diferente de una masa fundamental, que aparece a nivel del Lagrangiano de la teoría (y en realidad esta masa efectiva depende del proceso particular bajo escrutinio). Está claro que preguntas por esto último, pero quería aclararlo.

1. Masa desnuda

Antes de abordar su pregunta sobre el mecanismo de Higgs, debo mencionar que podríamos añadir un término de masa a la QCD "a mano". Los teóricos desprecian esta solución porque rompemos la simetría gauge local y la renormalizabilidad, pero, de nuevo, la Naturaleza sería el juez definitivo al respecto. Pero para ser justos, la renormalizabilidad es un gran problema. Los teóricos hacen muchos cálculos perturbativos. Digamos que la constante de acoplamiento de una teoría es $\alpha$ . Se pueden calcular términos de orden $\alpha$ entonces $\alpha^2$ , $\alpha^3$ etc., cada vez con mucho más trabajo, pero eso es otra historia: se trata de cálculo perturbativo. En una teoría no normalizable, por lo general, cada orden introducirá nuevas constantes que deberán ajustarse a los datos experimentales. Y sí, eso significa que al final hay un número infinito de constantes desconocidas en la teoría. Esto no es así en la teoría renormalizable: sólo hay un número finito, y pequeño, de constantes que conocemos de antemano y que no cambia a medida que ascendemos en la escala perturbativa orden a orden. Por tanto, una teoría renormalizable tiene normalmente un poder predictivo mucho mayor. Así que sí, el Modelo Estándar tiene todos los acoplamientos con el Higgs que son desconocidos, y las matrices de mezcla entre quarks y sabores de neutrinos que también son desconocidos, pero al menos los tenemos todos, de una vez por todas.

2. Higgs de colores

El mecanismo de Higgs puede modificarse para dar una masa al gluón. En realidad hay bastantes posibilidades. Son demasiado técnicas para intentar explicarlas. Baste decir que estas soluciones tienen más de un campo de Higgs que llevan un número de color. Algunas de ellas predicen tanto gluones masivos como gluones sin masa. Tales modelos son a priori más atractivos porque preservan la renormalizabilidad.

Uno de los problemas de este tipo de modelos es el siguiente: el llamado funcionamiento de la constante de acoplamiento QCD, denominada $\alpha_S$ . En términos sencillos, $\alpha_S$ depende de la escala de energía $\mu$ del proceso: crece a medida que $\mu$ disminuye. Esto explica por qué la interacción es tan fuerte a baja energía en estados ligados como mesones y bariones, y por qué es bastante débil a alta energía, a energías del LHC por ejemplo, un fenómeno llamado libertad asintótica (es decir, los quarks se vuelven cada vez más libres a medida que aumenta la escala de energía). Cuánto disminuye depende del número de partículas que pueden sentir la interacción fuerte. Está muy bien comprobado experimentalmente que la variación de $\alpha_S$ es compatible con 5 quarks por encima de la masa del quark $b$ (el quark top decae demasiado rápido para desempeñar ningún papel) y 4 quarks entre el del quark $c$ y $b$ . Pero ahora estamos añadiendo bosones de Higgs a ese recuento. Eso descarta el Higgs ligero. Peor aún, el acoplamiento del Higgs consigo mismo crece con la escala de energía, y como ahora los quarks pueden interactuar a través de esos Higgs, podría romper fácilmente la propia libertad asintótica de la QCD, que está fantásticamente bien probada.

3. Higgs compuesto

También hay modelos en los que el Higgs es un compuesto. Un condensado de fermiones que siente otra interacción gauge que las del Modelo Estándar. Así que la simetría gauge sería el Modelo Estándar $SU(3)_c\times SU(2)_L\times U(1)_Y$ pero entonces $\times SU(2)_{c'}$ y habría dos nuevos fermiones que serían únicos para $SU(2)_L$ pero al menos uno de ellos se acopla al gluón como los quarks normales, y se acopla a la nueva interacción gauge, por supuesto. Un ejemplo se puede encontrar en [2], donde se concluye que en realidad predice una masa de gluón demasiado alta.

4. Experimento

En cualquier caso, las medidas tienen la última palabra. Se han buscado un par de efectos. En primer lugar, con una masa $m_g$ para el gluón, el potencial para la interacción fuerte se convierte esencialmente en 0 para distancias $r>1/m_g$ mientras que por debajo crece linealmente con $r$ . Por lo tanto, existe una barrera potencial a una energía $E_*$ proporcional a $m_g$ . Por tanto, con colisiones lo suficientemente energéticas, deberíamos ser capaces de conseguir que los quarks de los protones superen esa barrera. O los quarks podrían hacer un túnel a través de la barrera, haciendo inestable al protón. El último argumento es cosmológico: en el big bang primitivo, los quarks vagan libremente. Cuando la energía desciende por debajo de $E_*$ algunos quarks quedarán confinados pero otros permanecerán fuera de las barreras de potencial, si estuvieran más lejos que $1/m_g$ de otro. Así que deberíamos tener reliquias de quarks libres. Cito aquí de memoria un artículo de Yndurain [1], que es el que se cita en las reseñas del Particle Data Group. Es bastante antiguo y es anterior a las ideas teóricas que desarrollé en 2) y 3) más arriba. Un vistazo rápido a la base de datos de preimpresos arXiv da como resultado [2], que se fija como objetivo actualizarse sobre [1] en realidad, y que sí revisa los modelos sobre los que escribí en 2).

[1] F.J. Ynduráin. Límites de la masa del gluón. Physics Letters B, 345(4):524 - 526, 1995.

[2] https://arxiv.org/abs/1005.0850v1