Nella fisica delle particelle , una glu ball o glueball in inglese, è un ipotetico composito di particelle . Consisterebbe solo di gluoni senza quark di valenza. Tale stato è possibile perché i gluoni trasportano una carica di colore e sono soggetti all'interazione forte . Poiché si mescolano con i mesoni ordinari, le palle di colla sono estremamente difficili da identificare all'interno degli acceleratori di particelle .
I calcoli teorici mostrano che le palle di colla dovrebbero formarsi a energie accessibili con gli attuali collisori . Tuttavia, a causa - tra l'altro - delle difficoltà citate, ad oggi (2013) non sono ancora state osservate e individuate con certezza. La previsione dell'esistenza delle glueball è una delle previsioni più importanti del Modello Standard della fisica delle particelle che deve ancora essere confermata sperimentalmente.
In linea di principio, è possibile calcolare esattamente tutte le proprietà delle glueball, direttamente dalle equazioni e costanti fondamentali della cromodinamica quantistica (QCD) senza dover misurare nuovi valori. Le presunte proprietà di queste ipotetiche particelle possono essere descritte in grande dettaglio utilizzando il Modello Standard , che gode di ampia accettazione all'interno della fisica teorica. In pratica, però, i calcoli del CDQ sono così complessi che vengono sempre utilizzate approssimazioni numeriche per determinare le soluzioni (con metodi molto diversi). Inoltre, le notevoli incertezze nelle misurazioni di alcune costanti fisiche chiave possono portare a variazioni nelle previsioni teoriche delle proprietà delle glueball come la loro massa, il loro rapporto di ramificazione o il loro decadimento.
Gli studi teorici sulle glueball si sono concentrati su palle composte da due o tre gluoni per analogia con mesoni e barioni che hanno rispettivamente due e tre quark. Come mesoni e barioni, le glueball sarebbero di colore neutro (cioè zero isospin ). Il numero barionico di una palla di colla è 0 .
Le palle di colla a due gluoni possono avere uno spin (J) di 0 (sono quindi scalari o pseudo-scalari) o di 2 ( tensori ). Le Glueball con tre gluoni possono avere uno spin (J) di 1 (bosone vettoriale) o 3. Tutte le Glueball hanno spin interi, il che significa che sono bosoni .
Le Glueballs sono le uniche particelle previste dal Modello Standard con spin 2 o 3 nel loro stato fondamentale sebbene siano stati osservati mesoni costituiti da due quark con J = 0 e J = 1 e masse simili e stati eccitati altri mesoni possono avere un tale valore di rotazione.
Le particelle fondamentali con un fondamentale di spin 0 o 2 sono facili da distinguere da una palla di colla. L'ipotetico gravitone , pur avendo spin 2 sarebbe di massa nulla e privo di carica di colore rendendolo facilmente distinguibile. Il bosone Higgs per cui una massa di circa 125-126 GeV / c 2 è stata misurata sperimentalmente (anche se la particella osservata non è ancora stato definitivamente identificato come un bosone Higgs) è la particella fondamentale solo di rotazione 0 nel modello standard, inoltre non ha carica di colore e quindi non è soggetto a forti interazioni. Il bosone di Higgs ha anche una massa da 25 a 80 volte maggiore delle varie palle di colla previste dal modello.
Tutte le palline di colla hanno carica elettrica zero poiché i gluoni stessi non hanno carica elettrica.
La cromodinamica quantistica prevede enormi palle di colla, sebbene i gluoni stessi abbiano massa zero a riposo nel Modello Standard. Sono state considerate le Glueball con le quattro possibili combinazioni di numeri quantici P ( parità ) e C ( C ( parità ) ) per ogni momento angolare totale (J) producendo così una quindicina di possibili stati per le glueball inclusi stati eccitati con numeri quantici simili ma masse diverse . Gli stati più leggeri avrebbero masse a partire da 1,4 GeV / c 2 (sfera di colla allo stato quantico J = 0, P = +, C = +) e il più pesante raggiungerebbe 5 GeV / c 2 (stato quantistico J = 0, P = +, C = -).
Queste masse sono dello stesso ordine di grandezza di quelle di molte particelle osservate sperimentalmente: mesoni , barioni , leptoni tau , quark charm , quark bottom e certi isotopi dell'idrogeno o dell'elio .
Come tutti i mesoni e i barioni del Modello Standard eccetto il protone, tutti i glueball previsti sarebbero instabili quando isolati. Diversi calcoli cromodinamici quantistici prevedono le larghezze di decadimento totali (una quantità correlata all'emivita) per i diversi stati delle glueball. Questi calcoli fanno anche previsioni sulle ragioni dei cali. Ad esempio, le palle di colla non possono decadere per radiazione o emettendo due fotoni, ma potrebbero decadere emettendo una coppia di pioni , una coppia di kaoni o una coppia di mesoni eta .
Poiché le glueball previste dal Modello Standard sono estremamente effimere (decadono quasi immediatamente in prodotti più stabili) e sono generate solo nella fisica delle alte energie, le glueball possono essere prodotte sinteticamente solo in condizioni facilmente osservabili sulla Terra. Sono quindi scientificamente importanti perché forniscono una previsione verificabile del Modello Standard e non per il loro impatto sui processi macroscopici.
La teoria dei campi di rete (in) fornisce un metodo per esaminare teoricamente lo spettro delle Glueball dai fondamenti. Alcune delle prime quantità calcolate utilizzando tecniche di cromodinamica del reticolo quantistico (nel 1980) erano stime delle masse di glueball. Morningstar e Peardon hanno calcolato nel 1999 la massa delle palline di colla più leggere senza un quark dinamico. Di seguito sono riportati i tre stati più leggeri. La presenza di quark dinamici modificherebbe leggermente questi valori ma renderebbe ancora più difficili i calcoli. Da allora, calcoli cromodinamici (su reticolo con regole additive) hanno scoperto che le palline di colla più leggere sono scalari con masse comprese tra 1000 e 1700 MeV .
| J P ' C | massa |
|---|---|
| 0 ++ | 1730 ± 80 MeV / c 2 |
| 2 ++ | 2400 ± 120 MeV / c 2 |
| 0 - + | 2,590 ± 130 MeV / c 2 |
Gli esperimenti condotti sugli acceleratori di particelle sono spesso in grado di identificare particelle composite instabili e assegnare loro una massa con una precisione dell'ordine di MeV/c 2 senza poter determinare immediatamente tutte le proprietà corrispondenti alla risonanza osservata. Se le particelle rilevate in alcuni esperimenti sono inconfondibili, altri sono ancora ipotetici. Alcune di queste particelle candidate potrebbero essere palle di colla anche se le prove non sono convincenti. Questi includono:
Molti di questi candidati sono stati oggetto di ricerca attiva dalla metà degli anni '90 . Experience GlueX (in) , prevista per il 2014, è stata progettata per fornire prove sperimentali definitive dell'esistenza di Glueballs.