¿Por qué se considera que los gluones no tienen masa considerando el hecho de que el rango de interacción fuerte es muy corto?

Una masa es una propiedad muy específica de una partícula. Los gluones son bosones medidores y los bosones medidores tienen prohibido tener una masa a menos que exista un mecanismo de Higgs que los haga adquirir masa. No vemos evidencia de los bosones de Higgs en la naturaleza.

Sin embargo, su observación de que no hay gluones ligeros flotando dando lugar a fuerzas de largo alcance es astuta. En la cromodinámica cuántica, los gluones producen una fuerza que confina a largas distancias. Cuando esto sucede, los gluones no son estados asintóticos de la teoría y, por lo tanto, hablas de que los gluones son partículas adecuadas (a veces puedes usar esto como una aproximación). Los gluones median una fuerza tan fuerte que confinan la producción y los estados unidos de los gluones, a veces llamados bolas de pegamento, tienen masa a pesar de que los mismos gluones no. La ausencia de partículas de luz o fuerzas de largo alcance se denomina “brecha de masa” porque todos los estados asintóticos que se pueden producir son masivos.

Entonces los gluones no tienen masa, a pesar de que todos los estados en la teoría son masivos.

La fuerza de color está mediada por gluones sin masa y la fuerza electromagnética está mediada por fotones sin masa, pero estas dos fuerzas son bastante diferentes. La fuerza electromagnética es fuerte cuando las partículas cargadas están cerca unas de otras y cae como [matemática] 1 / R ^ 2 [/ matemática] a medida que las partículas están más separadas.

Sin embargo, la fuerza de color entre los quarks se aproxima a 0 cuando los quarks están cerca uno del otro. Esta es la libertad asintótica de la fuerza del color que se descubrió en 1973 y por la cual Gross, Wilczek y Politzer recibieron el Premio Nobel de Física en 2004. Sin embargo, cuando los quarks están más separados (aproximadamente el diámetro del protón), La fuerza del color aumenta dramáticamente. Este modelo de una fuerza que aumenta con la distancia es otra declaración del principio de confinamiento del color en la cromodinámica cuántica (QCD). Parte de la razón por la cual esta fuerza aumenta con la distancia, mientras que la fuerza electromagnética disminuye con la distancia es que los gluones de la fuerza de color tienen carga de color, mientras que los fotones de la fuerza electromagnética no tienen carga eléctrica. Como consecuencia de esto, los gluones interactúan con los gluones y los quarks, pero los fotones solo interactúan con partículas cargadas eléctricamente.

Esta auto interacción de gluones aparentemente hace que se forme un tubo de flujo de gluones entre dos quarks que puede intentar separar. Este tubo de flujo tiene una densidad de energía por unidad de longitud, por lo que actúa como una banda de goma tratando de juntar los quarks. En otras palabras, se necesita más y más energía al tratar de separar dos quarks y la consecuencia es que en algún momento, es ventajoso crear un nuevo par quark – antiquark para romper el tubo de flujo cada vez más largo que tira de los dos originales Quarks juntos. Aquí se muestra un dibujo de cómo se rompe el tubo de flujo con la creación de un par [math] q \ bar {q} [/ math]:

Es por eso que la fuerza del color parece ser solo una fuerza de corta distancia a pesar de que los gluones no tienen masa. Para obtener un poco más de información, vea mi respuesta a: ¿Cuál es la energía de unión al gluón para protones y neutrones en términos simples?

La interacción electro-fuerte

Teniendo en cuenta la Ley de distribución de Planck de los osciladores electromagnéticos, podemos explicar la tasa de masa de electrones / protones y las interacciones débiles y fuertes. Lattice QCD ofrece los mismos resultados que los patrones de difracción de los osciladores electromagnéticos, explicando el confinamiento del color y la libertad asintótica de las interacciones fuertes.

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