Gluoni ( g ) | |
---|---|
| |
Yhdiste | alkuainehiukkanen |
Perhe | bosoni |
Ryhmä | mittari bosoni [2] |
Osallistuu vuorovaikutukseen |
vahva , painovoimainen |
Antihiukkanen | itse (neutraaleille gluoneille) |
Tyyppien lukumäärä | kahdeksan |
Paino |
0 (teoreettinen arvo) [3] < 1,3 MeV/ s 2 (kokeellinen raja) [4] [5] |
Teoreettisesti perusteltu | Gell-Mann , Zweig ( 1964 ) |
Löytyi | 1979 |
kvanttiluvut | |
Sähkövaraus | 0 [3] |
värimaksu | |
Pyöritä | 1 [6 ] |
Sisäinen pariteetti | − |
Pyörimistilojen lukumäärä | 2 |
Isotooppinen spin | 0 |
Mediatiedostot Wikimedia Commonsissa |
Gluon ( englanniksi gluon , liimasta - liima) — massaton alkeishiukkanen , perusbosoni [ 7] , vektorikentän kvantti , vahvan vuorovaikutuksen kantaja [8] [9] .
Yksinkertaisesti sanottuna gluonit ovat vektorimittarin bosoneja , jotka ovat suoraan vastuussa voimakkaasta värivuorovaikutuksesta kvarkkien välillä kvanttikromodynamiikassa (QCD) [ 9] . Toisin kuin kvanttielektrodynamiikan (QED) fotonit , jotka ovat sähköisesti neutraaleja eivätkä ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa [10] , gluonit itse kantavat värivarauksen ja siksi ne eivät vain kantaa vahvaa vuorovaikutusta, vaan myös osallistuvat siihen. Gluoneja on yhteensä 8 riippumatonta tyyppiä, mikä tekee QCD:stä paljon vaikeammin ymmärrettävän kuin QED:n.
Gluonit ovat kvarkkien välisen vahvan vuorovaikutuksen kantajia, jotka "liimaavat" kvarkeja hadroneiksi . Kvarkkien kvanttiluvut - sähkövaraus, baryoniluku , maku - pysyvät muuttumattomina gluonien emission ja absorption aikana, kun taas kvarkkien väri muuttuu [11] .
Gluon on vektorin kvantti (eli jolla on yksikköspin ja negatiivinen sisäinen pariteetti ) QCD :ssä . Sillä ei ole massaa . Kvanttikenttäteoriassa katkeamaton mittainvarianssi edellyttää, että mittabosoni on massaton [ 3] (koe rajoittaa gluonimassan ylhäältä enintään muutamaan MeV :iin [4] ). Kaikki nämä ominaisuudet (sekä nollasähkövaraus ) tuovat sen lähemmäksi fotonia.
Vaikka massiivisilla vektorihiukkasilla on kolme polarisaatiotilaa, massattomilla vektorimittausbosoneilla, kuten gluonilla ja fotonilla, on vain kaksi mahdollista polarisaatiota mittainvarianssin vuoksi, joka vaatii poikittaispolarisaatiota.
Gluonilla on nolla isospin . Värittömät gluonit ovat omia antihiukkasiaan eli todella neutraaleja hiukkasia . Gluonit, kuten kvarkit, eivät ole luonnollisissa olosuhteissa vapaassa tilassa, ne muodostavat sitoutuneita tiloja - hadroneja [12] .
M. Gell-Mann ja itävaltalainen fyysikko G. Zweig esittivät vuonna 1964 hypoteesin, että kaikki hadronit, joiden baryoniluku B = 0 (mesonit) koostuvat parista "kvarkki ja antikvark" ja joiden luku on B = 1 ( baryonit) - koostuvat kolmesta kvarkista. Neuvostoliiton fyysikot N. N. Bogolyubov , B. V. Struminsky , A. N. Tavkhelidze ja amerikkalaiset M. Khan ja I. Nambu esittivät vuonna 1965 toisistaan riippumatta hypoteesin, että jokaisella kvarkilla on kolme erilaista väritilaa . Hieman eri muodossa vuonna 1964 samanlaisen hypoteesin esitti amerikkalainen fyysikko O. Grinberg [13] .
Kvarkkien värejä koskevien ajatusten synteesi 1970-luvun alussa synnytti kvanttiteorian värillisen gluonin ja kvarkkikenttien voimakkaasta vuorovaikutuksesta - kvanttikromodynamiikasta .
Ensimmäiset tätä aihetta käsittelevät teossarjat, jotka perustuvat symmetrian ja invarianssin ajatuksiin hiukkasten ja kenttien järjestelmässä, julkaisivat Gell-Man, Murry , Harald Fritsch (saksa: Harald Fritzsch), J. Zweig [14] [ 14]. 15] .
Käsite kvarkkirajoituksesta ilmestyi, koska niitä ei ollut mahdollista tarkkailla vapaassa muodossa. Kvarkin erottaminen protonista on mahdotonta, koska kvarkkien välillä vaikuttaa erittäin suuri sidosvoima. Jos esimerkiksi yrität "kasvata" niitä, ihmisyksiköissä olisi tarpeen voittaa vastus, joka vastaa 14 tonnia. Tämä voima ei pienene etäisyyden myötä, vaan pysyy aina samana. Teoreettinen fysiikka kutsuu tätä voimamerkkijonoa , joka on venytetty kvarkkien väliin. Jos työnnät kvarkeja yhä pidemmälle, merkkijono jossain vaiheessa puhkeaa, jolloin syntyy mesoneja , jotka koostuvat kvarkeista ja antikvarkeista. Kvarkin "väriä" ei havaita, sillä ei ole fyysistä merkitystä. Vain kvarkin "värin" muutos pisteestä toiseen havaitaan. Jokainen gluoni on jotain, joka sijaitsee suoraan protonissa. Protonin "elämää" ajassa esitetään kolmen kvarkin vuorovaikutuksena kahdeksan gluonilajin kautta [16] .
Protonien kiihtymisen ja törmäyksen jälkeen gluonikenttä alkaa "kasvaa" , ja jossain vaiheessa se katkeaa, ja murtumispisteessä syntyy kvarkki-antikvarkki-pari. Gluonkentät voivat myös törmätä ja tuottaa "kvarkki-antikvarkki" -pareja [17] .
Gluonit ovat olennainen osa kvarkkigluoniainetta. Aineen rakenteen fysiikan tutkimus on kvarkkigluoniplasman tutkimuksen ydin. Fyysikot yrittävät ratkaista heille asetettua tieteellistä perusongelmaa: mistä aineen rakenne koostuu , miten universumin baryoninen aine syntyi ja kehittyi, mikä on aineen taustalla, koska siitä koostuvat tähdet, planeetat ja elävät olennot. Vahvan vuorovaikutuksen perusvoimat – gluonit – ovat yhdistävä lenkki ydinfysiikan esineiden fissio- ja synteesiprosessissa [18] [19] .
Vahvan vuorovaikutuksen seurauksena nukleonit (protonit ja neutronit) muuttuvat baryoneiksi , jotka koostuvat kolmesta kvarkista (yli 100 baryonia on löydetty). Hadronit koostuvat kvarkeista, antikvarkeista ja gluoneista. Epästabiilit hiukkaset yhtä suuresta määrästä kvarkeja ja antikvarkeja muodostavat mesoneja (kvarkki-antikvarkki). Kvarkit ja gluonit ovat "lukittuja" hadroneihin. Vapaat kvarkit ja gluonit, jotka irtoavat ytimistä tietyissä olosuhteissa voimakkaan vuorovaikutuksen aikana ( kvarkkien ja gluonien erottelu), käyvät läpi hadronisaatioprosessin , joka pysähtyy hadronisuihkuiksi (jet). Tätä aineen tilaa kutsutaan kvarkkigluoniplasmaksi [18] [20] .
Kvarkkigluoniplasmalle on ominaista erittäin korkea lämpötila ja korkea energiatiheys, joka ylittää jonkin kriittisen arvon. Tutkijat suorittavat kokeita vahvojen vuorovaikutusten tutkimiseksi superkorkean energian ytimien kiihdyttimillä . Moderni fysiikka tutkii kvarkkigluoniaineen kehitystä ja ominaisuuksia . Oletettavasti maailmankaikkeus koostui tällaisesta aineesta muutama hetki ilmaantumisen jälkeen ( alkuräjähdys ) [18] . Kvarkkigluoniaineen fysiikka on yksi modernin fysiikan avainalueista, jossa yhdistyvät alkuainehiukkasfysiikka, ydinfysiikka ja kosmologia [18] [21] .
Toisin kuin yksi fotoni QED:ssä tai kolme W- ja Z -bosonia , joilla on heikko vuorovaikutus , QCD:ssä on 8 itsenäistä gluonityyppiä.
Kvarkit voivat kantaa kolmenlaisia värivarauksia; antikvarkit ovat kolmenlaisia antivärejä. Gluonit voidaan ymmärtää sekä värin että antivärin kantajina tai selityksenä kvarkin värinmuutokselle vuorovaikutuksen aikana. Sen perusteella, että gluoneissa on nollasta poikkeava värivaraus, voisi ajatella, että gluoneja on vain kuusi. Mutta itse asiassa niitä on kahdeksan, koska teknisesti QCD on mittariteoria , jolla on SU (3) -symmetria. Kvarkit esitetään spinorikenttinä N f - mauissa , joista jokainen on värimittariryhmän SU ( 3) perusesityksenä (tripletti, merkitty 3 ) . Gluonit ovat vektorikenttiä SU (3) -väriryhmän viereisessä esityksessä (oktetit, merkitty 8 ) . Yleisesti ottaen mittariryhmässä vuorovaikutuksen kantajien (kuten fotonien ja gluonien) määrä on aina yhtä suuri kuin liitännäisesityksen mitta. Yksinkertaisessa tapauksessa SU ( N ) tämän esityksen ulottuvuus on N 2 − 1 .
Ryhmäteorian kannalta väite, että värisinglettigluoneja ei ole , on yksinkertaisesti väite, että kvanttikromodynamiikassa on SU (3) -symmetriaa , ei U (3) -symmetriaa . Ei ole a priori syitä suosia jompaakumpaa ryhmää, mutta kokeilu on yhdenmukainen vain SU :n kanssa (3) .
Värilliset gluonit:
Värittömät gluonit:
Kolmas väritön tila:
ei ole olemassa. Gluonien numerointi vastaa SU(3)-ryhmän generaattorien Gell-Mann-matriisien numerointia.
Kvarkit ja gluonit (värilliset) ilmenevät hajoamalla lisää kvarkeja ja gluoneja, jotka puolestaan hadronisoituvat normaaleihin (värittömiin) hiukkasiin, jotka on kerätty suihkuihin. Kuten vuonna 1978 kesäkonferensseissa [22] kävi ilmi, DORIS-elektroni-positronitörmätäjän ( DESY ) PLUTO ] -detektori sai ensimmäiset todisteet siitä, että erittäin kapean resonanssin Υ(9.46) hadronihajoamat voidaan tulkita geometrisesti näin. kolmen gluonin luoma kolmen suihkun tapahtuma Myöhemmin julkaistut analyysit samasta kokeesta vahvistivat tämän tulkinnan, samoin kuin spin = 1 gluoni [23] [24] (katso myös kokoelma [22] ).
Kesällä 1979, korkeammilla energioilla, PETRA (DESY) elektroni-positronin törmäyskone havaitsi jälleen kolmisuihkutapahtumia, jotka nyt tulkitaan q q gluon bremsstrahlung , nyt selvästi nähtävissä TASSO [25] yhteistyön avulla. , MARK-J [26] ja PLUTO [27] (myöhemmin vuonna 1980 myös JADE [28] ). Gluonin spin 1 vahvistettiin vuonna 1980 TASSO [29] ja PLUTO [30] kokeilla (katso myös katsaus). Vuonna 1991 myöhempi koe LEP -tallennusrenkaalla CERNissä vahvisti jälleen tämän tuloksen [31] .
Gluoneilla on tärkeä rooli kvarkkien ja gluonien välisissä alkeellisissa voimakkaissa vuorovaikutuksissa, joita QCD kuvailee ja joita on tutkittu erityisesti DESYn HERA -elektroni-protonitörmätäjässä . Gluonien lukumäärää ja liikemääräjakaumaa protonissa (gluonitiheys) mitattiin kahdella kokeella, H1 ja ZEUS [32] vuosina 1996–2007. Gluonien osuutta protonin spiniin tutkittiin HERMES -kokeessa HERAssa [33] . Myös gluonien tiheys (kun se käyttäytyy kuin hadroni) protonissa on mitattu [34] .
Sitoutumisen vahvistaa epäonnistuminen vapaiden kvarkkien etsimisessä (jakovarausten etsiminen). Kvarkkeja tuotetaan yleensä pareittain (kvarkki + antikvarkki) väri- ja makukvanttilukujen kompensoimiseksi; kuitenkin yksi huippukvarkkien tuotanto esitettiin Fermilabissa [a] [35] .
Dekonfinementin löydöstä ilmoitettiin vuonna 2000 CERNin SPS:ssä [ 36] raskaiden ionien törmäyksissä , mikä viittaa aineen uuteen tilaan: kvarkki-gluoniplasma , jossa on vähemmän vuorovaikutusta kuin ytimissä , melkein kuin nesteessä . Se löydettiin Brookhavenin Relativistic Heavy Ion Colliderissa (RHIC) vuosina 2004-2010 neljän samanaikaisen kokeen tuloksena [37] . Plasman kvarkkigluonitila vahvistettiin CERNin Large Hadron Colliderissa (LHC) ja kolmessa kokeessa ALICE , ATLAS ja CMS vuonna 2010 [38] .
CEBAF-kiihdytin Jefferson Laboratoryssa Newport Newsissa, Virginiassa , on yksi kymmenestä DOE -laitoksesta, jotka on omistettu gluonitutkimukselle. Virginian laboratorio kilpaili toisen laitoksen, Brookhaven National Laboratoryn kanssa Long Islandilla, New Yorkissa, varoista uuden elektroni-ionitörmäimen rakentamiseen [39] . Joulukuussa 2019 Yhdysvaltain energiaministeriö valitsi Brookhaven National Laboratoryn isännöimään Electron Ion Collider [40] .
Ensimmäinen suora kokeellinen todiste gluonien olemassaolosta saatiin vuonna 1979, jolloin havaittiin tapahtumia kolmen hadronisuihkun kanssa DESY - tutkimuskeskuksen ( Hampuri , Saksa ) PETRA -elektroni- positronitörmätäjän kokeissa , joista kaksi oli kvarkkien tuottamia. ja kolmas gluonilla.
Epäsuorat todisteet gluonien olemassaolosta saatiin kymmenen vuotta aiemmin kvantitatiivisessa analyysissä prosessista, jossa elektronien syvä joustamaton sironta protonilla/neutronilla, suoritettiin amerikkalaisessa SLAC -laboratoriossa .
Vuonna 2005 RHIC :n relativistisesta raskasionitörmäyttimestä saatiin kvarkkigluoniplasma .
Ennustettua liimapalloa (vain gluoneista koostuva hiukkanen; protonista törmäyksen aikana irronnut gluonipilvi) ei ole vielä löydetty tai luotu keinotekoisesti.
Koska gluonit kantavat värivarauksen (jälleen toisin kuin sähköisesti neutraalit fotonit), ne osallistuvat voimakkaaseen vuorovaikutukseen. Vapaita kvarkeja ei ole vielä havaittu, vaikka niitä on yritetty havaita useiden vuosien ajan. Samanlainen tilanne on syntynyt gluonien kanssa. Fermilabissa havaittiin kuitenkin tilastollisesti yksi huippukvarkin tuotanto [41] (sen elinikä on liian lyhyt sitoutuneiden tilojen muodostamiseen [42] ).
Hyvin pienillä etäisyyksillä syvällä hadronien sisällä gluonien ja kvarkkien välinen vuorovaikutus laantuu vähitellen asymptoottisen vapauden ilmentymisen seurauksena [43] .
On joitain viitteitä eksoottisten hadronien olemassaolosta, joissa on enemmän kuin kolme valenssikvarkkia (katso Pentaquark ).
Sanakirjat ja tietosanakirjat | |
---|---|
Bibliografisissa luetteloissa |
Hiukkaset fysiikassa | |||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
perushiukkasia _ |
| ||||||||||||
Komposiittihiukkaset _ |
| ||||||||||||