Gluon - Gluon

Gluon
Wykres Feynmanna Promieniowanie Gluona.svg
Diagram 1: Na diagramach Feynmana emitowane gluony są reprezentowane jako helisy. Ten diagram przedstawia anihilację elektronu i pozytonu .
Kompozycja Cząstka elementarna
Statystyka bozonowy
Rodzina Bozon pomiarowy
Interakcje Silna interakcja
Symbol g
Teoretyzowana Murray Gell-Mann (1962)
Odkryty e + e → Υ(9.46) → 3g: 1978 w DORIS ( DESY ) przez eksperymenty PLUTO (patrz diagram 2 i wspomnienia)

oraz

e + e → q q g: 1979 w PETRA ( DESY ) przez eksperymenty TASSO , MARK-J , JADE i PLUTO (patrz wykres 1 i przegląd)
Rodzaje 8
Masa 0 (wartość teoretyczna)
<1,3 meV/ (granica eksperymentalna)
Ładunek elektryczny e
Opłata kolor oktet (8 liniowo niezależnych typów)
Kręcić się 1

Gluonową ( / ɡ l ù ɒ n / ) jest elementarna cząstka , która działa jak wymiana cząstek (lub miernik Higgsa ) dla dużej siły pomiędzy kwarkach . Jest to analogiczne do wymiany fotonów w sile elektromagnetycznej między dwiema naładowanymi cząstkami . Gluony wiążą kwarki, tworząc hadrony, takie jak protony i neutrony .

Z technicznego punktu widzenia, gluony są wektorowe cechowania bozony pośredniczące silne interakcje z kwarków w chromodynamice kwantowej (QCD). Same gluony niosą kolorowy ładunek oddziaływania silnego. W przeciwieństwie do fotonu , który pośredniczy w oddziaływaniu elektromagnetycznym, ale nie ma ładunku elektrycznego. W związku z tym gluony uczestniczą w oddziaływaniu silnym oprócz pośredniczenia w nim, co znacznie utrudnia analizę QCD niż elektrodynamikę kwantową (QED).

Nieruchomości

Gluon jest bozonem wektorowym , co oznacza, że ​​podobnie jak foton ma spin 1. Podczas gdy masywne cząstki o spinie 1 mają trzy stany polaryzacji, bezmasowe bozony cechowania, takie jak gluon, mają tylko dwa stany polaryzacji, ponieważ niezmienność cechowania wymaga polaryzacji być poprzecznie do kierunku, w którym podróżuje gluon. W kwantowej teorii pola nieprzerwana niezmienność cechowania wymaga, aby bozony cechowania miały zerową masę. Eksperymenty ograniczają masę spoczynkową gluonu do mniej niż kilku meV/ c 2 . Gluon ma ujemną wewnętrzną parzystość .

Liczenie gluonów

W przeciwieństwie do pojedynczego fotonu o QED lub trzech W i Z bozonów o słabym oddziaływaniem istnieje osiem niezależnych rodzaje gluonu w QCD.

Intuicyjne zrozumienie tego może być trudne. Kwarki przenoszą trzy rodzaje ładunku barwnego ; antykwarki niosą trzy rodzaje antykolorów. Można uważać, że gluony niosą zarówno kolor, jak i antykolor. Daje to dziewięć możliwych kombinacji koloru i antykoloru w gluonach. Poniżej znajduje się lista tych kombinacji (i ich schematyczne nazwy):

  • czerwony-antyczerwony ( ), czerwony-antyzielony ( ), czerwony-antyniebieski ( )
  • zielony-antired ( ), zielony-antyzielony ( ), zielony-antyniebieski ( )
  • niebiesko-antyczerwony ( ), niebiesko-antyzielony ( ), niebiesko-antyniebieski ( )
Wykres 2: e + e → Υ(9.46) → 3g

Nie są to rzeczywiste stany barwne obserwowanych gluonów, ale raczej stany efektywne . Aby poprawnie zrozumieć, w jaki sposób są połączone, konieczne jest bardziej szczegółowe rozważenie matematyki ładunku koloru.

Kolory singletowe

Często mówi się, że obserwowane w przyrodzie stabilne silnie oddziałujące cząstki (takie jak proton i neutron, czyli hadrony ) są „bezbarwne”, ale dokładniej są one w stanie „kolorowym singletowym”, co jest matematycznie analogiczne do spinu stan singletowy . Takie stany pozwalają na interakcję z innymi singletami koloru, ale nie z innymi stanami koloru; ponieważ dalekosiężne oddziaływania gluonowe nie istnieją, ilustruje to, że gluony w stanie singletowym również nie istnieją.

Kolor singletowy to:

Innymi słowy, gdyby można było zmierzyć kolor stanu, istniałyby równe prawdopodobieństwa, że ​​jest on czerwony-antyred, niebieski-antyniebieski lub zielony-antyzielony.

Osiem kolorów

Istnieje osiem pozostałych niezależnych stanów kolorystycznych, które odpowiadają „ośmiu typom” lub „ośmiu kolorom” gluonów. Ponieważ stany można mieszać ze sobą, jak omówiono powyżej, istnieje wiele sposobów przedstawiania tych stanów, które są znane jako „oktet koloru”. Jedną z powszechnie używanych list jest:

      

Są to odpowiedniki macierzy Gell-Manna . Krytyczną cechą tych konkretnych ośmiu stanów jest to, że są one liniowo niezależne , a także niezależne od stanu singletowego, stąd 3 2  − 1 lub 2 3 . Nie ma sposobu, aby dodać dowolną kombinację tych państw do produkcji innych, i to jest również niemożliwe, aby dodać je do makijażu r R , G g , albo b b zakazanego stanu singletowego . Istnieje wiele innych możliwych wyborów, ale wszystkie są matematycznie równoważne, przynajmniej równie skomplikowane i dają takie same wyniki fizyczne.

Szczegóły teorii grup

Z technicznego punktu widzenia QCD jest teorią cechowania z symetrią cechowania SU(3) . Twarogi wprowadzane są spinors w N f smaków , każdy w podstawowej reprezentacji (tryplet, oznaczoną 3 ) grupy koloru nadciśnienia, SU (3). Gluony są wektorami w reprezentacji sprzężonej (oktety, oznaczone jako 8 ) koloru SU(3). W przypadku ogólnej grupy cechowania liczba nośników siły (takich jak fotony lub gluony) jest zawsze równa wymiarowi reprezentacji sprzężonej. Dla prostego przypadku SU( N ), wymiar tej reprezentacji to N 2 − 1 .

Jeśli chodzi o teorię grup, twierdzenie, że nie ma gluonów w kolorze singletowym, jest po prostu stwierdzeniem, że chromodynamika kwantowa ma symetrię SU(3), a nie U(3) . Nie jest znany a priori powód, dla którego jedna grupa byłaby preferowana nad drugą, ale jak omówiono powyżej, dowody eksperymentalne potwierdzają SU(3). Gdyby grupą były U(3), dziewiąty (bezbarwny singlet) gluon zachowywałby się jak „drugi foton”, a nie jak pozostałe osiem gluonów.

Uwięzienie

Ponieważ same gluony niosą ładunek kolorowy, uczestniczą w oddziaływaniach silnych. Te interakcje gluon-gluon ograniczają pola kolorów do podobnych do struny obiektów zwanych „ rurkami strumieniowymi ”, które podczas rozciągania wywierają stałą siłę. Dzięki tej sile kwarkizamknięte w cząstkach złożonych zwanych hadronami . To skutecznie ogranicza zakres oddziaływania silnego do:1 x 10 -15 m, mniej rozmiaru jądra atomowego . Powyżej pewnej odległości energia tuby strumieniowej wiążącej dwa kwarki wzrasta liniowo. Przy wystarczająco dużej odległości energetycznie bardziej korzystne staje się wyciągnięcie pary kwark-antykwark z próżni niż zwiększenie długości rurki topnika.

Gluony mają również tę właściwość bycia zamkniętymi w hadronach. Jedną z konsekwencji jest to, że gluony nie są bezpośrednio zaangażowane w siły jądrowe między hadronami. Mediatorami siły są dla nich inne hadrony zwane mezonami .

Chociaż w normalnej fazie QCD pojedyncze gluony mogą nie przemieszczać się swobodnie, przewiduje się, że istnieją hadrony, które składają się wyłącznie z gluonów — zwane kulami gluonowymi . Istnieją również przypuszczenia dotyczące innych egzotycznych hadronów, w których prawdziwe gluony (w przeciwieństwie do wirtualnych występujących w zwykłych hadronach) byłyby podstawowymi składnikami. Poza normalną fazą QCD (w ekstremalnych temperaturach i ciśnieniach) tworzy się plazma kwarkowo-gluonowa . W takiej plazmie nie ma hadronów; kwarki i gluony stają się wolnymi cząstkami.

Obserwacje eksperymentalne

Kwarki i gluony (kolorowe) przejawiają się fragmentacją na więcej kwarków i gluonów, które z kolei ulegają hadronieniu w normalne (bezbarwne) cząstki, skorelowane w dżetach. Jak ujawniono na letnich konferencjach w 1978 r., detektor PLUTO w zderzaczu elektron-pozyton DORIS ( DESY ) dostarczył pierwszy dowód na to, że hadronowe rozpady bardzo wąskiego rezonansu Υ(9,46) mogą być interpretowane jako trzydżetowe topologie zdarzeń wytworzone przez trzy gluony. . Później opublikowane analizy tego samego eksperymentu potwierdziły tę interpretację, a także spin = 1 charakter gluonu (patrz też wspomnienia i eksperymenty PLUTO ).

Latem 1979 roku, przy wyższych energiach w zderzaczu elektronowo-pozytonowym PETRA (DESY), ponownie zaobserwowano topologie trójstrumieniowe, obecnie interpretowane jako q q gluon bremsstrahlung , teraz wyraźnie widoczne, przez eksperymenty TASSO , MARK-J i PLUTO (później w 1980 również przez JADE ). Własność spin = 1 gluonu została potwierdzona w 1980 roku przez eksperymenty TASSO i PLUTO (patrz także przegląd). W 1991 roku kolejny eksperyment na pierścieniu akumulacyjnym LEP w CERN ponownie potwierdził ten wynik.

Gluony odgrywają ważną rolę w elementarnych oddziaływaniach silnych między kwarkami i gluonami, opisanych przez QCD i badanych szczególnie w zderzaczu elektron-proton HERA w DESY. Liczbę i rozkład pędów gluonów w protonie (gęstość gluonów) mierzono w dwóch eksperymentach, H1 i ZEUS , w latach 1996–2007. Wkład gluonów w spin protonu został zbadany w eksperymencie HERMES w HERA. Zmierzono również gęstość gluonów w protonie (gdy zachowuje się hadronowo).

Uwięzienie kolorów jest weryfikowane przez niepowodzenie wyszukiwania wolnych kwarków (wyszukiwania ładunków ułamkowych). Kwarki są zwykle produkowane w parach (kwark + antykwark), aby skompensować wartości koloru i smaku kwantowego; jednak w Fermilab pokazano pojedynczą produkcję kwarków górnych . Nie zademonstrowano żadnej kuli klejowej .

Odkręcenie zostało stwierdzone w 2000 r. w CERN SPS w zderzeniach ciężkich jonów i oznacza nowy stan materii: plazmę kwarkowo-gluonową , mniej interaktywną niż w jądrze , prawie jak w cieczy. Został znaleziony w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów (RHIC) w Brookhaven w latach 2004-2010 w czterech ówczesnych eksperymentach. Stan plazmy kwarkowo-gluonowej został potwierdzony w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN w trzech eksperymentach ALICE , ATLAS i CMS w 2010 roku.

Jefferson Lab „s Continuous Electron Beam Accelerator Instrument w Newport News w stanie Wirginia , jest jednym z 10  Departament Energii obiektów prowadzących badania nad gluonów. Laboratorium w Wirginii konkurowało z innym obiektem – Brookhaven National Laboratory na Long Island w stanie Nowy Jork – o fundusze na budowę nowego zderzacza elektronów jonów . W grudniu 2019 r. Departament Energii USA wybrał Brookhaven National Laboratory na gospodarza zderzacza elektronowo-jonowego .

Zobacz też

Przypisy

Bibliografia

Dalsza lektura