Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с глюонов )
Перейти к навигации Перейти к поиску

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 . [6] Проще говоря, они «склеивают» 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).

Свойства [ править ]

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 [ править ]

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 антицвета. 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.

Цветовые синглетные состояния [ править ]

Часто говорят, что стабильные сильно взаимодействующие частицы (такие как протон и нейтрон, т. Е. Адроны ), наблюдаемые в природе, «бесцветны», но, точнее, они находятся в «цветном синглетном» состоянии, которое математически аналогично спину. синглетное состояние . [7] 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. [7]

Состояние цветового синглета: [7]

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 [ править ]

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: [7]

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 [8] 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 [ править ]

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). [7] Группа U (1) для электромагнитного поля объединяется с немного более сложной группой, известной как SU (2) - S означает «специальный» - что означает, что соответствующие матрицы имеют определитель +1 в дополнение к унитарности.

Заключение [ править ]

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 [ править ]

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 показал в 1978 году летних конференций, [2] детектор ПЛУТОНА на электрон-позитронных коллайдерах DORIS ( DESY ) произвел первое доказательство того, что адронный распады очень узкого резонанса У (9.46) можно интерпретировать как событие три-реактивные производства топологий тремя глюонами. Позже опубликованный анализ того же эксперимента подтвердил эту интерпретацию, а также природу глюона со спином = 1 [9] [10] (см. Также воспоминания [2] и эксперименты PLUTO ).

Летом 1979 года, при более высоких энергий на электрон-позитронных коллайдерах PETRA (DESY), снова наблюдали три-реактивные топологии, теперь интерпретируется как д д глюонный тормозного излучения , теперь ясно видно, с помощью TASSO , [11] МАРК-J , [12] и эксперименты PLUTO [13] (позже, в 1980 г., также JADE [14] ). Свойство глюона со спином = 1 было подтверждено в 1980 г. экспериментами TASSO [15] и PLUTO [16] (см. Также обзор [3] ). В 1991 году последующий эксперимент на накопителе LEP в ЦЕРНе снова подтвердил этот результат.[17]

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 числа и импульс глюонов в протонном (глюонной плотности), были измерены с помощью двух экспериментов, H1 и ZEUS , [18] в годы 1996-2007. Вклад глюонов в спин протона изучался в эксперименте HERMES в HERA. [19] Также была измерена плотность глюонов в протоне (когда он ведет себя адронно). [20]

Ограничение цвета подтверждается неудачей поисков 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 . [a] [21] Никаких глюболов продемонстрировано не было.

Деконфайнмент был заявлен в 2000 г. в CERN SPS [22] в столкновениях тяжелых ионов и 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 четырех одновременных экспериментах. [23] Состояние кварк-глюонной плазмы было подтверждено на Большом адронном коллайдере ЦЕРН (LHC) в трех экспериментах ALICE , ATLAS и CMS в 2010 году. [24]

Jefferson Lab «s Continuous Electron Beam Accelerator Facility , в Ньюпорт - Ньюс, штат Вирджиния , [б] является одним из 10  Департамент 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 . [25] В декабре 2019 года Министерство энергетики США выбрало Брукхейвенскую национальную лабораторию для размещения электронно-ионного коллайдера . [26]

См. Также [ править ]

  • Кварк
  • Адрон
  • Мезон
  • Калибровочный бозон
  • Кварковая модель
  • Квантовая хромодинамика
  • Кварк-глюонная плазма
  • Ограничение цвета
  • Глюбол
  • Глюонное поле
  • Тензор напряженности глюонного поля
  • Экзотические адроны
  • Стандартная модель
  • Трехструйные события
  • Глубоконеупругое рассеяние
  • Энергия связи квантовой хромодинамики

Сноски [ править ]

  1. ^ Технически производство одиночного топ-кварка в Фермилабе по- прежнему связано с рождением пар, но кварк и антикварк имеют разные ароматы.
  2. ^ Jefferson Lab является прозвище для Лаборатория Джефферсона в Ньюпорт - Ньюс, штат Вирджиния .

Ссылки [ править ]

  1. ^ М. Гелл-Манн (1962). «Симметрии барионов и мезонов» (PDF) . Физический обзор . 125 (3): 1067–1084. Bibcode : 1962PhRv..125.1067G . DOI : 10.1103 / PhysRev.125.1067 . . Однако это безотносительно к цвету. О современном использовании см. Fritzsch, H .; Гелл-Манн, М .; Leutwyler, H. (ноябрь 1973 г.). «Преимущества цветного октетно-глюонного изображения». Физика Письма Б . 47 (4): 365–368. CiteSeerX 10.1.1.453.4712 . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (73) 90625-4 . 
  2. ^ а б в Б. Стелла и Х.-Дж. Мейер (2011). «(9,46 ГэВ) и открытие глюонов (критическое воспоминание о результатах PLUTO)». Европейский физический журнал H . 36 (2): 203–243. arXiv : 1008.1869v3 . Bibcode : 2011EPJH ... 36..203S . DOI : 10.1140 / epjh / e2011-10029-3 . S2CID 119246507 . 
  3. ^ а б П. Сёдинг (2010). «Об открытии глюона» . Европейский физический журнал H . 35 (1): 3–28. Bibcode : 2010EPJH ... 35 .... 3S . DOI : 10.1140 / epjh / e2010-00002-5 . S2CID 8289475 . 
  4. ^ a b c W.-M. Яо; и другие. ( Группа данных по частицам ) (2006). «Обзор физики элементарных частиц» (PDF) . Журнал Physics G . 33 (1): 1. arXiv : astro-ph / 0601168 . Bibcode : 2006JPhG ... 33 .... 1Y . DOI : 10.1088 / 0954-3899 / 33/1/001 .
  5. ^ F. Yndurain (1995). «Пределы массы глюона». Физика Письма Б . 345 (4): 524. Bibcode : 1995PhLB..345..524Y . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (94) 01677-5 .
  6. ^ CR Неф. «Сила цвета» . Гиперфизика . Государственный университет Джорджии , факультет физики . Проверено 2 апреля 2012 .
  7. ^ а б в г д Дэвид Гриффитс (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Вили и сыновья . С. 280–281. ISBN 978-0-471-60386-3.
  8. ^ Дж. Баэз. "Почему глюонов восемь, а не девять?" . Проверено 13 сентября 2009 . Cite journal requires |journal= (help)
  9. ^ Бергер, гл .; и другие. (Коллаборация PLUTO) (1979). «Струйный анализ распада (9,46) на заряженные адроны». Физика Письма Б . 82 (3–4): 449. Bibcode : 1979PhLB ... 82..449B . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (79) 90265-X .
  10. ^ Бергер, гл .; и другие. (Коллаборация PLUTO) (1981). «Топология распада». Zeitschrift für Physik С . 8 (2): 101. Полномочный код : 1981ZPhyC ... 8..101B . DOI : 10.1007 / BF01547873 . S2CID 124931350 . 
  11. ^ Бранделик, Р .; и другие. ( Коллаборация ТАССО ) (1979). «Доказательства плоских событий в e + e - аннигиляции при высоких энергиях». Физика Письма Б . 86 (2): 243–249. Полномочный код : 1979PhLB ... 86..243B . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (79) 90830-X .
  12. ^ Барбер, Д.П .; и другие. (Коллаборация MARK-J) (1979). «Открытие трехструйных событий и проверка квантовой хромодинамики на ПЕТРА». Письма с физическим обзором . 43 (12): 830. Bibcode : 1979PhRvL..43..830B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.43.830 . S2CID 13903005 . 
  13. ^ Бергер, гл .; и другие. (Коллаборация PLUTO) (1979). "Доказательства тормозного излучения глюонов при e + e - аннигиляции при высоких энергиях". Физика Письма Б . 86 (3-4): 418. Полномочный код : 1979PhLB ... 86..418B . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (79) 90869-4 .
  14. ^ Bartel, W .; и другие. (Сотрудничество JADE) (1980). «Наблюдение планарных трехструйных событий в e e - аннигиляции и свидетельство тормозного излучения глюонов» . Физика Письма Б . 91 (1): 142. Bibcode : 1980PhLB ... 91..142B . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (80) 90680-2 .
  15. ^ Бранделик, Р .; и другие. ( Коллаборация ТАССО ) (1980). «Свидетельства глюона со спином 1 в трехструйных событиях». Физика Письма Б . 97 (3-4): 453. Bibcode : 1980PhLB ... 97..453B . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (80) 90639-5 .
  16. ^ Бергер, гл .; и другие. (Коллаборация PLUTO) (1980). «Исследование многоструйных событий в e e - аннигиляции». Физика Письма Б . 97 (3-4): 459. Bibcode : 1980PhLB ... 97..459B . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (80) 90640-1 .
  17. ^ Александр, G .; и другие. ( Сотрудничество OPAL ) (1991). «Измерение трехструйных распределений, чувствительных к спину глюона в e e - Аннигиляции при √s = 91 ГэВ». Zeitschrift für Physik С . 52 (4): 543. Bibcode : 1991ZPhyC..52..543A . DOI : 10.1007 / BF01562326 . S2CID 51746005 . 
  18. ^ Lindeman, L .; и другие. (Сотрудничество H1 и ZEUS) (1997). «Структурные функции протонов и плотность глюонов в HERA». Nuclear Physics B: Proceedings Supplements . 64 (1): 179–183. Bibcode : 1998NuPhS..64..179L . DOI : 10.1016 / S0920-5632 (97) 01057-8 .
  19. ^ "Вращающийся мир в DESY" . www-hermes.desy.de . Проверено 26 марта 2018 .
  20. ^ Адлофф, C .; и другие. (Коллаборация H1) (1999). «Сечения заряженных частиц в фоторождении и извлечении плотности глюонов в фотоне». Европейский физический журнал C . 10 (3): 363–372. arXiv : hep-ex / 9810020 . Bibcode : 1999EPJC ... 10..363H . DOI : 10.1007 / s100520050761 . S2CID 17420774 . 
  21. Chalmers, M. (6 марта 2009 г.). «Лучший результат для Тэватрон» . Мир физики . Проверено 2 апреля 2012 года .
  22. ^ Abreu, MC; и другие. (Коллаборация NA50) (2000). «Доказательства деконфайнмента кварка и антикварка из модели подавления J /, измеренной в столкновениях Pb-Pb на CERN SpS» . Физика Письма Б . 477 (1–3): 28–36. Bibcode : 2000PhLB..477 ... 28А . DOI : 10.1016 / S0370-2693 (00) 00237-9 .
  23. ^ Overbye, D. (15 февраля 2010). «В коллайдере Брукхейвен ученые ненадолго нарушают закон природы» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 2 апреля 2012 года .
  24. ^ «Эксперименты на LHC открывают новое понимание первозданной вселенной» (пресс-релиз). ЦЕРН . 26 ноября 2010 . Проверено 20 ноября +2016 .
  25. Нолан, Джим (19 октября 2015 г.). «Государство надеется на большой экономический взрыв, поскольку Джефф Лаб предлагает ионный коллайдер» . Ричмонд Таймс-Диспетч . Стр. A1, A7 . Проверено 19 октября 2015 года . Эти подсказки могут помочь ученым лучше понять, что скрепляет Вселенную.
  26. ^ «Министерство энергетики США выбирает Брукхейвенскую национальную лабораторию для размещения крупного нового объекта ядерной физики» (пресс-релиз). DOE . 9 января 2020 . Дата обращения 1 июня 2020 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • А. Али и Г. Крамер (2011). «СТРУИ и КХД: исторический обзор открытия кварковых и глюонных струй и их влияния на КХД». Европейский физический журнал H . 36 (2): 245–326. arXiv : 1012.2288 . Bibcode : 2011EPJH ... 36..245A . DOI : 10.1140 / epjh / e2011-10047-1 . S2CID  54062126 .