Gluon - Gluon

z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Gluon
Feynmannův diagram Gluonové záření.svg
Diagram 1: Ve Feynmanových diagramech jsou emitované gluony reprezentovány jako šroubovice. Tento diagram znázorňuje zničení elektronu a pozitronu .
Složení Elementární částice
Statistika Bosonic
Interakce Silná interakce
Symbol G
Teoretizoval Murray Gell-Mann (1962)
Objevil e + e - → Υ (9,46) → 3g: 1978 v DORIS ( DESY ) experimenty PLUTO (viz diagram 2 a vzpomínka)

a

e + e - → q q g: 1979 na PETRA ( DESY ) experimenty TASSO , MARK-J , JADE a PLUTO (viz diagram 1 a recenze)
Typy 8
Hmotnost 0 (teoretická hodnota)
< 1,3 meV / (experimentální limit)
Elektrický náboj e
Barevný náboj oktet (8 lineárně nezávislých typů)
Roztočit 1

Gluonová ( / ɡ l U ɒ n / ) je elementární částice , která se chová jako výměnu částic (nebo měřidla boson ) pro silné interakce mezi kvarky . Je to analogické s výměnou fotonů v elektromagnetické síle mezi dvěma nabitými částicemi . Laicky řečeno, „lepí“ kvarky dohromady a vytvářejí hadrony, jako jsou protony a neutrony .

Z technického hlediska, gluons jsou vektorové bosons měřidla , které zprostředkovávají silné interakce z kvarků v kvantové chromodynamiky (QCD). Samotné gluony nesou barevný náboj silné interakce. To je na rozdíl od fotonu , který zprostředkovává elektromagnetickou interakci, ale postrádá elektrický náboj. Gluony se proto kromě zprostředkování podílejí na silné interakci, což činí analýzu QCD výrazně obtížnější než kvantová elektrodynamika (QED).

Vlastnosti

Gluon je vektorový boson , což znamená, že stejně jako foton rotaci 1. Zatímco masivní částice spin-1 mají tři stavy polarizace, nehmotné měřicí bosony jako gluon mají pouze dva stavy polarizace, protože invariance měřidla vyžaduje polarizaci, aby být příčný ke směru, kterým se gluon pohybuje. V kvantové teorii pole vyžaduje neporušená invariance měřidla, aby měřicí bosony měly nulovou hmotnost. Pokusy omezují zbytkovou hmotnost gluonu na méně než několik meV / c 2 . Gluon má negativní vnitřní paritu .

Počítám gluony

Na rozdíl od jediného fotonu z QED nebo tří W a Z bosons na slabé interakce , existuje osm nezávislé typy gluonu v QCD.

To může být obtížné intuitivně pochopit. Kvarky nesou tři typy barevného náboje ; antikvary nesou tři typy anticolor. Gluony mohou být považovány za nesoucí barvu i anticolor. To dává devět možných kombinací barvy a anticolor v gluonech. Následuje seznam těchto kombinací (a jejich schematických názvů):

  • red-antired ( ), red-antigreen ( ), red-antiblue ( )
  • green-antired ( ), green-antigreen ( ), green-antiblue ( )
  • modro-antired ( ), modro-antigreen ( ), modro-antiblue ( )
Diagram 2: e + e - → Υ (9,46) → 3 g

Nejedná se o skutečné barevné stavy pozorovaných gluonů, ale spíše o efektivní stavy. Abychom správně pochopili, jak jsou kombinovány, je třeba podrobněji zvážit matematiku barevného náboje.

Stavy barevných singletů

Často se říká, že stabilní silně interagující částice (jako je proton a neutron, tj. Hadrony ) pozorované v přírodě jsou „bezbarvé“, ale přesněji jsou ve stavu „barevného singletu“, který je matematicky analogický s rotací stav singletu . Takové stavy umožňují interakci s jinými barevnými singlety, ale ne s jinými barevnými stavy; protože neexistují interakce gluonů s dlouhým dosahem, to ilustruje, že neexistují ani gluony ve stavu singletu.

Stav barevného singletu je:

Jinými slovy, pokud by bylo možné změřit barvu státu, byla by stejná pravděpodobnost, že bude červenohnědý, modře antiblue nebo zeleně antigreen.

Osm barev

Zbývá osm nezávislých barevných stavů, které odpovídají „osmi typům“ nebo „osmi barvám“ gluonů. Protože stavy mohou být smíchány dohromady, jak je popsáno výše, existuje mnoho způsobů, jak tyto stavy prezentovat, které jsou známé jako „barevný oktet“. Jeden běžně používaný seznam je:

      

Ty jsou ekvivalentní Gell-Mannovým maticím . Kritickým rysem těchto konkrétních osmi stavů je, že jsou lineárně nezávislé a také nezávislé na singletovém stavu, tedy 3 2  - 1 nebo 2 3 . Neexistuje žádný způsob, jak přidat jakoukoli kombinaci těchto stavů k vytvoření jakéhokoli jiného, ​​a je také nemožné je přidat, aby se stav r r , g g nebo b b stal zakázaným singletovým stavem . Existuje mnoho dalších možných možností, ale všechny jsou matematicky ekvivalentní, přinejmenším stejně komplikované a poskytují stejné fyzické výsledky.

Podrobnosti o skupinové teorii

Technicky QCD je kalibrační teorie s SU (3) symetrie měřidla. Kvarky jsou zavedeny jako spinors v N f příchutích , každé v základním zobrazení (triplet, označený 3 ) z barevného měřidla skupiny, SU (3). Gluony jsou vektory v adjunktní reprezentaci (oktety, označené 8 ) barvy SU (3). Pro obecnou skupinu měřidel je počet nosičů síly (jako fotonů nebo gluonů) vždy stejný s rozměrem sousední reprezentace. Pro jednoduchý případ SU ( N ) je rozměr této reprezentace N 2 - 1 .

Z hlediska teorie skupin je tvrzení, že neexistují žádné barevné singletové gluony, jednoduše konstatováním, že kvantová chromodynamika má spíše symetrii SU (3) než U (3) . Neexistuje žádný apriorní důvod, proč by měla být jedna skupina upřednostňována před druhou, ale jak bylo diskutováno výše, experimentální důkazy podporují SU (3). Skupina U (1) pro elektromagnetické pole se kombinuje s poněkud komplikovanější skupinou známou jako SU (2) - S znamená „speciální“ - což znamená, že odpovídající matice mají kromě toho, že jsou jednotné, také určující +1.

Vězení

Jelikož samotné gluony nesou barevný náboj, účastní se silných interakcí. Tyto interakce gluon-gluon omezují barevná pole na objekty podobné řetězcům, které se nazývají „ trubičky toku “ a které při natažení vyvíjejí konstantní sílu. Kvůli této síle jsou kvarky uzavřeny ve složených částicích nazývaných hadrony . To účinně omezuje rozsah silné interakce na 1 × 10 −15 metrů, zhruba velikost atomového jádra . Po určité vzdálenosti se energie trubice toku vázající dva kvarky lineárně zvyšuje. Při dostatečně velké vzdálenosti je energeticky výhodnější vytáhnout z vakuu pár kvark-antikvark, než prodloužit délku trubice toku.

Gluony také sdílejí tuto vlastnost, že jsou uvězněni v hadronech. Jedním z důsledků je, že gluony nejsou přímo zapojeny do jaderných sil mezi hadrony. Mediátory síly pro tyto jsou další hadrony zvané mezony .

Ačkoli v normální fázi QCD jednotlivé gluony nemusí volně cestovat, předpokládá se, že existují hadrony, které jsou zcela vytvořeny z gluonů - nazývaných lepicí koule . Existují také domněnky o jiných exotických hadronech, ve kterých by byly primárními složkami skutečné gluony (na rozdíl od virtuálních, které se nacházejí v běžných hadronech). Kromě normální fáze QCD (při extrémních teplotách a tlacích) se tvoří plazma kvark-gluon . V takové plazmě nejsou hadrony; z kvarků a gluonů se stávají volné částice.

Experimentální pozorování

Kvarky a gluony (barevné) se projevují fragmentací na více kvarků a gluonů, které zase hadronizovaly na normální (bezbarvé) částice, korelované v tryskách. Jak bylo odhaleno na letních konferencích v roce 1978, detektor PLUTO na elektron-pozitronovém urychlovači DORIS ( DESY ) přinesl první důkaz, že by hadronové rozpady velmi úzké rezonance Υ (9.46) mohly být interpretovány jako tříproudové topologie událostí vyrobené třemi gluony . Později publikované analýzy stejného experimentu potvrdily tuto interpretaci a také spin = 1 povahu gluonu (viz také vzpomínky a experimenty PLUTO ).

V létě 1979 byly při vyšších energiích na elektron-pozitronovém urychlovači PETRA (DESY) pozorovány opět tři proudové topologie, nyní interpretované jako q q gluon bremsstrahlung , nyní jasně viditelné, experimenty TASSO , MARK-J a PLUTO (později v 1980 také JADE ). Vlastnost spin = 1 gluonu byla potvrzena v roce 1980 experimenty TASSO a PLUTO (viz také přehled). V roce 1991 tento výsledek potvrdil další experiment v úložném kruhu LEP v CERNu .

Gluony hrají důležitou roli v elementárních silných interakcích mezi kvarky a gluony, popsaných QCD a studovaných zejména na urychlovači elektronů a protonů HERA na DESY. Počet a hybnost distribuce gluonů v protonu (hustota gluonů) byly měřeny dvěma experimenty, H1 a ZEUS , v letech 1996–2007. Příspěvek gluonu k protonové rotaci byl studován experimentem HERMES na HERA. Byla také změřena hustota gluonu v protonu (pokud se chová hadronicky).

Zadržení barev je ověřeno selháním vyhledávání volných kvarků (vyhledávání zlomkových nábojů). Kvarky se obvykle vyrábějí ve dvojicích (kvark + antikvark), aby se vyrovnalo množství kvantové barvy a chuti; nicméně na Fermilab byla ukázána jediná produkce top kvarků . Nebyl prokázán žádný lepicí míč .

Dekonfinování bylo požadováno v roce 2000 v CERN SPS při srážkách těžkých iontů a implikuje nový stav hmoty: kvark-gluonová plazma , méně interaktivní než v jádru , téměř jako v kapalině. Bylo zjištěno na Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) v Brookhavenu v letech 2004–2010 čtyřmi současnými experimenty. Stav kvark-gluonové plazmy byl potvrzen na CERN Large Hadron Collider (LHC) třemi experimenty ALICE , ATLAS a CMS v roce 2010.

Jefferson Lab 's Continuous Electron Beam Accelerator Facility v Newport News ve Virginii je jedním z 10  zařízení energetického výzkumu provádějícího výzkum gluonů. Laboratoř ve Virginii soutěžila s dalším zařízením - Brookhaven National Laboratory na Long Islandu v New Yorku - o finanční prostředky na vybudování nového urychlovače elektronů a iontů . V prosinci 2019 americké ministerstvo energetiky vybralo Brookhavenskou národní laboratoř jako hostitele elektron-iontového urychlovače .

Viz také

Poznámky pod čarou

Reference

Další čtení