Глюон - Gluon

Глюон
Диаграмма Фейнмана Gluon Radiation.svg
Диаграмма 1: На диаграммах Фейнмана испускаемые глюоны представлены в виде спиралей. На этой диаграмме изображена аннигиляция электрона и позитрона .
Состав Элементарная частица
Статистика Бозонный
Семья Калибровочный бозон
Взаимодействия Сильное взаимодействие
Условное обозначение грамм
Теоретически Мюррей Гелл-Манн (1962)
Обнаруженный e + e - → Υ (9.46) → 3g: 1978 в DORIS ( DESY ) экспериментами PLUTO (см. диаграмму 2 и воспоминания)

а также

e + e - → q q g: 1979 в PETRA ( DESY ) экспериментами TASSO , MARK-J , JADE и PLUTO (см. диаграмму 1 и обзор)
Типы 8
Масса 0 (теоретическое значение)
<1,3 мэВ / (экспериментальный предел)
Электрический заряд e
Цвет заряда октет (8 линейно независимых типов)
Вращаться 1

Глюонный ( / ɡ л ¯u ɒ п / ) является элементарной частицей , которая действует как обмен частицы (или калибровочный бозон ) для сильной силы между кварками . Это аналогично обмену фотонами в электромагнитной силе между двумя заряженными частицами . Глюоны связывают кварки вместе, образуя адроны, такие как протоны и нейтроны .

С технической точки зрения, глюоны векторных калибровочных бозонов , которые опосредуют сильные взаимодействия из кварков в квантовой хромодинамике (КХД). Сами глюоны несут цветной заряд сильного взаимодействия. Это не похоже на фотон , который опосредует электромагнитное взаимодействие, но не имеет электрического заряда. Таким образом, глюоны участвуют в сильном взаимодействии в дополнение к его опосредованию, что значительно усложняет анализ КХД, чем квантовую электродинамику (КЭД).

Характеристики

Глюон является векторным бозоном , что означает, что, как и фотон , он имеет спин 1. В то время как массивные частицы со спином 1 имеют три состояния поляризации, безмассовые калибровочные бозоны, такие как глюон, имеют только два состояния поляризации, потому что калибровочная инвариантность требует, чтобы поляризация была равной. быть поперечным направлению движения глюона. В квантовой теории поля для непрерывной калибровочной инвариантности требуется, чтобы калибровочные бозоны имели нулевую массу. Эксперименты ограничивают массу покоя глюона величиной менее нескольких мэВ / c 2 . Глюон имеет отрицательную внутреннюю четность .

Подсчет глюонов

В отличии от одного фотона КЭДА или три W- и Z - бозонов в слабом взаимодействии , существует восемь независимых типов глюонов в КХДЕ.

Это может быть трудно понять интуитивно. Кварки несут три типа цветного заряда ; антикварки несут три типа антицветов. Глюоны можно рассматривать как несущие как цвет, так и антицвет. Это дает девять возможных комбинаций цвета и антицвета в глюонах. Ниже приводится список этих комбинаций (и их схематические названия):

  • красный-анти-красный ( ), красный-анти-зеленый ( ), красный-анти-синий ( )
  • зеленый-анти-красный ( ), зеленый-анти-зеленый ( ), зеленый-анти-синий ( )
  • синий-анти-красный ( ), сине-анти-зеленый ( ), сине-анти-синий ( )
Диаграмма 2: e + e - → Υ (9.46) → 3g

Это не настоящие цветовые состояния наблюдаемых глюонов, а скорее эффективные состояния. Чтобы правильно понять, как они сочетаются, необходимо более подробно рассмотреть математику цветового заряда.

Цветные синглетные состояния

Часто говорят, что стабильные сильно взаимодействующие частицы (такие как протон и нейтрон, т. Е. Адроны ), наблюдаемые в природе, являются «бесцветными», но, точнее говоря, они находятся в «цветном синглетном» состоянии, которое математически аналогично спину. синглетное состояние . Такие состояния допускают взаимодействие с другими цветовыми синглетами, но не с другими цветовыми состояниями; поскольку дальнодействующие глюонные взаимодействия не существуют, это показывает, что глюоны в синглетном состоянии также не существуют.

Состояние цветового синглета:

Другими словами, если бы можно было измерить цвет состояния, были бы равные вероятности, что это красный анти-красный, синий-анти-синий или зеленый-анти-зеленый.

Восемь цветов

Остается восемь оставшихся независимых цветовых состояний, которые соответствуют «восьми типам» или «восьми цветам» глюонов. Поскольку состояния могут быть смешаны вместе, как обсуждалось выше, существует множество способов представления этих состояний, которые известны как «цветовой октет». Один из наиболее часто используемых списков:

      

Они эквивалентны матрицам Гелл-Манна . Важнейшей особенностью этих конкретных восьми состояний является то, что они линейно независимы , а также не зависят от синглетного состояния, следовательно, 3 2  - 1 или 2 3 . Невозможно добавить любую комбинацию этих состояний для получения любого другого, а также невозможно добавить их, чтобы сделать r r , g g или b b запрещенным синглетным состоянием . Есть много других возможных вариантов, но все они математически эквивалентны, по крайней мере, одинаково сложны и дают одинаковые физические результаты.

Детали теории групп

Технически КХД - это калибровочная теория с калибровочной симметрией SU (3) . Кварки вводятся как спиноры в N f ароматов , каждый в фундаментальном представлении (триплет, обозначенный 3 ) цветовой калибровочной группы SU (3). Глюоны - это векторы в присоединенном представлении (октеты, обозначенные 8 ) цвета SU (3). Для общей калибровочной группы количество носителей силы (таких как фотоны или глюоны) всегда равно размерности присоединенного представления. Для простого случая SU ( N ) размерность этого представления равна N 2 - 1 .

С точки зрения теории групп, утверждение об отсутствии цветных синглетных глюонов является просто утверждением, что квантовая хромодинамика имеет SU (3), а не U (3) -симметрию. Нет никаких известных априорных причин для предпочтения одной группы перед другой, но, как обсуждалось выше, экспериментальные данные подтверждают SU (3). Если бы группа была U (3), девятый (бесцветный синглет) глюон вел бы себя как «второй фотон», а не как остальные восемь глюонов.

Заключение

Поскольку сами глюоны несут цветной заряд, они участвуют в сильных взаимодействиях. Эти глюон-глюонные взаимодействия ограничивают цветовые поля струнно-подобными объектами, называемыми « трубками потока », которые при растяжении создают постоянную силу. Из - за этой силы, кварки являются ограничены в пределах композитных частиц , называемых адроны . Это эффективно ограничивает диапазон сильного взаимодействия до1 × 10 -15 метров, размером примерно с атомное ядро . За пределами определенного расстояния энергия магнитной трубки, связывающей два кварка, линейно возрастает. На достаточно большом расстоянии энергетически выгоднее вытягивать кварк-антикварковую пару из вакуума, чем увеличивать длину магнитной трубки.

Глюоны также обладают этим свойством заключаться в адронах. Одним из следствий этого является то, что глюоны не участвуют напрямую в ядерных взаимодействиях между адронами. Силовыми посредниками для них являются другие адроны, называемые мезонами .

Хотя в нормальной фазе КХД одиночные глюоны не могут свободно перемещаться, предсказывается, что существуют адроны, полностью состоящие из глюонов - называемые глюболами . Есть также предположения о других экзотических адронах, в которых реальные глюоны (в отличие от виртуальных глюонов , встречающихся в обычных адронах) будут первичными составляющими. За пределами нормальной фазы КХД (при экстремальных температурах и давлениях) образуется кварк-глюонная плазма . В такой плазме нет адронов; кварки и глюоны становятся свободными частицами.

Экспериментальные наблюдения

Кварки и глюоны (окрашенные) проявляются в виде фрагментации на большее количество кварков и глюонов, которые, в свою очередь, адронизируются в нормальные (бесцветные) частицы, коррелированные в струях. Как было показано на летних конференциях 1978 года, детектор PLUTO на электрон-позитронном коллайдере DORIS ( DESY ) впервые показал, что адронные распады очень узкого резонанса Υ (9.46) можно интерпретировать как трехструйную топологию событий, создаваемую тремя глюонами. . Позже опубликованные результаты того же эксперимента подтвердили эту интерпретацию, а также природу глюона со спином = 1 (см. Также эксперименты по воспоминаниям и PLUTO ).

Летом 1979 г. при более высоких энергиях на электрон-позитронном коллайдере PETRA (DESY) снова наблюдались трехструйные топологии, теперь интерпретируемые как q q -глюонное тормозное излучение , теперь ясно видимое в экспериментах ТАССО , MARK-J и PLUTO (позднее в 1980 также JADE ). Свойство глюона со спином = 1 было подтверждено в 1980 г. экспериментами TASSO и PLUTO (см. Также обзор). В 1991 году последующий эксперимент на накопителе LEP в ЦЕРНе снова подтвердил этот результат.

Глюоны играют важную роль в элементарных сильных взаимодействиях между кварками и глюонами, которые описываются КХД и изучаются, в частности, на электрон-протонном коллайдере HERA в DESY. Распределение количества и импульса глюонов в протоне (плотность глюонов) было измерено в двух экспериментах, H1 и ZEUS , в 1996–2007 годах. Вклад глюонов в спин протона был изучен в эксперименте HERMES в HERA. Плотность глюонов в протоне (при адронном поведении) также была измерена.

Ограничение цвета подтверждается неудачей поиска свободных кварков (поиски дробных зарядов). Кварки обычно производятся парами (кварк + антикварк), чтобы компенсировать квантовый цвет и ароматические числа; однако в Фермилабе было показано однократное рождение топ-кварков . Никакого глюбола не было продемонстрировано.

Деконфайнмент был заявлен в 2000 году в CERN SPS в столкновениях тяжелых ионов , и он подразумевает новое состояние вещества: кварк-глюонная плазма , менее интерактивная, чем в ядре , почти как в жидкости. Он был обнаружен на коллайдере релятивистских тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвене в 2004–2010 годах в ходе четырех одновременных экспериментов. Состояние кварк-глюонной плазмы было подтверждено на Большом адронном коллайдере ЦЕРН (LHC) в трех экспериментах ALICE , ATLAS и CMS в 2010 году.

Jefferson Lab «s Continuous Electron Beam Accelerator Facility , в Ньюпорт - Ньюс, штат Вирджиния , является одной из 10  департамента энергетики объектов , выполняющих исследования по глюонов. Лаборатория Вирджинии конкурировала с другим учреждением - Брукхейвенской национальной лабораторией на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, - за средства на строительство нового электрон-ионного коллайдера . В декабре 2019 года Министерство энергетики США выбрало Брукхейвенскую национальную лабораторию для размещения электронно-ионного коллайдера .

Смотрите также

Сноски

использованная литература

дальнейшее чтение