Conservación del color en la QCD
La conservación del color es un principio fundamental de la cromodinámica cuántica (QCD), la teoría que describe la interacción fuerte entre quarks y gluones. La regla es sencilla, pero inquebrantable:
En toda interacción fuerte, la carga total de color (la carga de simetría SU(3)) se conserva.
En la práctica, esto implica que un quark puede cambiar de color (por ejemplo, de rojo a verde), pero dicho cambio siempre se compensa con un gluón que transporta la combinación correspondiente color - anticolor.
Ejemplo
Un quark rojo emite un gluón rojo - antiverde.
El quark pasa a ser verde, mientras que el gluón se lleva la componente “rojo - antiverde”.
$$ \text{Quark rojo} \longrightarrow \text{Quark verde} + \text{Gluón (rojo - antiverde)} $$
El balance se verifica de la siguiente manera:
- Antes: rojo
- Después: verde + (rojo - antiverde). Como verde y antiverde se anulan, el resultado neto sigue siendo rojo.
La carga de color total queda inalterada.
Nota. Cuando escribo rojo - antiverde, me refiero a un estado color - anticolor, no a una resta matemática. En la literatura técnica también suele representarse como “rojo ⊗ antiverde”.
El concepto de color en la QCD
En QCD, el término “color” no guarda relación alguna con la luz visible. Se trata de una carga cuántica, análoga en cierto sentido a la carga eléctrica en la electrodinámica cuántica (QED), aunque con una estructura más compleja.
Los quarks existen en tres “colores”:
- rojo
- verde
- azul
Los gluones, portadores de la interacción fuerte, llevan siempre una combinación color - anticolor (por ejemplo, rojo - antiverde).
A diferencia de los fotones, que son neutros, los gluones poseen carga de color.
Nota. Las interacciones electromagnéticas y débiles no alteran el color. Los fotones no se acoplan al color, de modo que la QED lo conserva automáticamente. Los bosones débiles $W^\pm$ y $Z^0$ tampoco interaccionan con el color. En esos vértices, el color del quark permanece intacto.
Interacciones gluón - gluón
Una característica esencial de la QCD es que los gluones pueden interactuar entre sí, algo que no ocurre con los fotones.
Incluso en estas interacciones no abelianas, la conservación del color se mantiene: los gluones individuales pueden transformarse, pero la carga total de color no cambia.
Por ejemplo, dos gluones colisionan. Uno transporta rojo - antiazul y el otro azul - antiverde. El resultado puede ser un gluón rojo - antiverde, entre otros estados posibles. En todos los casos, la conservación global del color se respeta.
Confinamiento y neutralidad cromática
En la naturaleza no se observan quarks ni gluones libres: permanecen confinados de manera permanente dentro de partículas compuestas. Esta propiedad recibe el nombre de confinamiento.
Las partículas que realmente detectamos - protones, neutrones y otras hadrónicas - son siempre neutras en color, lo que significa que la suma de sus colores es nula.
Por ejemplo, tres quarks de colores rojo, verde y azul se combinan en un barión sin color (como un protón o un neutrón). Del mismo modo, un quark y un antiquark con colores opuestos forman un mesón neutro.
Dado que todas las partículas observables son neutras en color, el color nunca es directamente medible, y su conservación no aparece como un efecto aislado en los experimentos.
No obstante, aunque no pueda observarse directamente, la conservación del color es esencial. Garantiza la consistencia interna de la QCD y, en un plano más amplio, de todo el Modelo Estándar.
Ejemplos prácticos
A continuación se muestran algunas ilustraciones concretas de la conservación del color:
Ejemplo 1 (un quark emite un gluón)
Un quark rojo emite un gluón rojo - antiverde:
$$ q_{\text{rojo}} \;\;\longrightarrow\;\; q_{\text{verde}} + g_{\text{rojo⊗antiverde}} $$
El quark cambia de color (rojo → verde).
El gluón transporta el par correspondiente color - anticolor.
Balance global: rojo antes, rojo después.
Ejemplo 2 (intercambio de gluón entre quarks)
Un quark rojo y un quark verde intercambian un gluón.
El quark rojo se transforma en azul, mientras que el verde pasa a ser rojo.
$$ q_{\text{rojo}} + q_{\text{verde}} \;\;\longrightarrow\;\; q_{\text{azul}} + q_{\text{rojo}} + g_{\text{(intermedio)}} $$
El gluón intermedio transporta el cambio cromático.
El balance neto de color permanece invariable.
Ejemplo 3 (interacción gluón - gluón)
Dos gluones colisionan: uno rojo - antiazul, el otro azul - antiverde.
La interacción puede dar lugar a un gluón rojo - antiverde (entre otros posibles resultados).
La suma total color - anticolor se conserva.
Ejemplo 4 (formación de un barión)
Tres quarks de diferentes colores - rojo, verde y azul - se combinan:
$$ q_{\text{rojo}} + q_{\text{verde}} + q_{\text{azul}} \;\;\longrightarrow\;\; \text{protón sin color} $$
Los tres colores se cancelan perfectamente.
El resultado es una partícula neutra en color, que puede existir libremente en la naturaleza.
Ejemplo 5 (formación de un mesón)
Un quark rojo y un antiquark antirrojo se emparejan:
$$ q_{\text{rojo}} + \bar{q}_{\text{antirrojo}} \;\;\longrightarrow\;\; \text{mesón sin color} $$
El color y el anticolor se aniquilan mutuamente.
El resultado es un mesón neutro en color.
Y así sucesivamente.
