Клей
![]() Диаграмма 1: На диаграммах Фейнмана испускаемые глюоны представлены в виде спиралей. Эта диаграмма изображает аннигиляцию электрона и позитрона . | |
Состав | Элементарная частица |
---|---|
Статистика | бозонный |
Семья | Калибровочный бозон |
Взаимодействия | Сильное взаимодействие |
Символ | г |
Теоретический | Мюррей Гелл-Манн (1962) [1] |
Обнаруженный | и + и − → Υ(9.46) → 3g: 1978 год в ДОРИС ( DESY ) по экспериментам ПЛУТОНА (см. диаграмму 2 и воспоминания [2] ) и |
Типы | 8 [4] |
Масса | 0 (теоретическое значение) [5] < 1,3 МэВ/ c 2 (экспериментальный предел) [6] [5] |
Электрический заряд | 0 и [5] |
Цветовой заряд | октет (8 линейно независимых типов) |
Вращаться | 1 час |
Паритет | -1 |
Стандартная модель физики элементарных частиц |
---|
![]() |
Глюон ) — ( / ˈ ɡ l uː ɒ n / GLOO -on это тип безмассовой элементарной частицы , которая опосредует сильное взаимодействие между кварками , действуя как обменная частица для взаимодействия. Глюоны — это безмассовые векторные бозоны , поэтому их спин равен 1. [7] Благодаря сильному взаимодействию глюоны связывают кварки в группы в соответствии с квантовой хромодинамикой (КХД) , образуя адроны, такие как протоны и нейтроны .
Глюоны несут цветовой заряд сильного взаимодействия, тем самым участвуя в сильном взаимодействии, а также опосредуя его. Поскольку глюоны несут цветовой заряд, КХД сложнее анализировать по сравнению с квантовой электродинамикой (КЭД) , где фотон не несет электрического заряда.
Этот термин был придуман Мюрреем Гелл-Манном в 1962 году. [а] потому что он похож на клей или клей, который удерживает ядро вместе. [9] назвал партонами Вместе с кварками эти частицы Ричард Фейнман . [10]
Характеристики
[ редактировать ]Глюон является векторным бозоном , что означает, что его спин равен 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, поскольку калибровочная инвариантность требует, чтобы поляризация поля была поперечной к направление, в котором движется глюон. В квантовой теории поля непрерывная калибровочная инвариантность требует, чтобы калибровочные бозоны имели нулевую массу. Эксперименты ограничивают массу покоя глюона (если таковая имеется) величиной менее нескольких МэВ/ с. 2 . Глюон имеет отрицательную внутреннюю четность .
Подсчет глюонов
[ редактировать ]В КХД существует восемь независимых типов глюонов. Это не похоже на фотон КЭД или три W- и Z-бозона слабого взаимодействия .
Кроме того, глюоны подвержены феномену цветового заряда . Кварки несут три типа цветового заряда; Антикварки несут три типа антицвета. Глюоны несут как цвет, так и антицвет. Это дает девять возможных комбинаций цвета и антицвета в глюонах. Ниже приводится список этих комбинаций (и их схематические названия):
- красно-антипятившийся ( ), красно-антизеленый ( ), красно-антисиний ( )
- зелено-антикрасный ( ), зелено-антизеленый ( ), зелено-антисиний ( )
- сине-антикрасный ( ), сине-антизеленый ( ), синий–антисиний ( )

Эти возможные комбинации являются лишь эффективными состояниями, а не реальными наблюдаемыми цветовыми состояниями глюонов. Чтобы понять, как они сочетаются, необходимо более подробно рассмотреть математику цветового заряда.
Цветовые синглетные состояния
[ редактировать ]Стабильные сильно взаимодействующие частицы, включая адроны, такие как протон или нейтрон, считаются «бесцветными». Точнее, они находятся в «цветном синглетном» состоянии и математически аналогично спин- синглетному состоянию . [11] Состояния допускают взаимодействие с синглетами других цветов, но не с другими состояниями цвета; поскольку дальнодействующих глюонных взаимодействий не существует, это показывает, что глюонов в синглетном состоянии тоже не существует. [11]
Цветовое синглетное состояние: [11]
Если бы можно было измерить цвет состояния, то с одинаковой вероятностью оно было бы красно-антижелтым, сине-антисиним или зелено-антизеленым.
Восемь цветовых состояний
[ редактировать ]Осталось восемь независимых цветовых состояний, соответствующих «восьми типам» или «восьми цветам» глюонов. Поскольку состояния можно смешивать, существует несколько способов представления этих состояний. Они известны как «цветовой октет», и обычно используемый список для каждого из них: [11]
Они эквивалентны матрицам Гелл-Манна . Критической особенностью этих восьми состояний является то, что они линейно независимы , а также независимы от синглетного состояния, следовательно, 3 2 − 1 или 2 3 . Невозможно добавить любую комбинацию этих состояний для создания других. Также невозможно сложить их, чтобы r r , g g или получились b b [12] Запрещенное синглетное состояние . Есть много других возможных вариантов, но все они математически эквивалентны, по крайней мере, одинаково сложны и дают одни и те же физические результаты.
Детали теории групп
[ редактировать ]Формально КХД является калибровочной теорией с калибровочной симметрией SU(3) . Кварки вводятся как спиноры в N f ароматах , каждый в фундаментальном представлении (триплете, обозначенном 3 ) группы цветовых калибровок SU(3). Глюоны — это векторы в присоединенном представлении (октеты, обозначаемые 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 .
В теории групп не существует цветных синглетных глюонов, поскольку квантовая хромодинамика имеет симметрию SU(3), а не U(3) . Не существует априорной причины предпочтения одной группы другой, но, как обсуждалось выше, экспериментальные данные подтверждают SU(3). [11] Если бы группа была U(3), девятый (бесцветный синглетный) глюон вел бы себя как «второй фотон», а не как остальные восемь глюонов. [13]
Заключение
[ редактировать ]Поскольку глюоны сами несут цветовой заряд, они участвуют в сильных взаимодействиях. Эти глюон-глюонные взаимодействия ограничивают цветовые поля струнообразными объектами, называемыми « трубками потока », которые при растяжении оказывают постоянное воздействие. Благодаря этой силе кварки удерживаются , внутри составных частиц называемых адронами . Это эффективно ограничивает диапазон сильного взаимодействия до 1 × 10 −15 метров, что примерно равно нуклону . За пределами определенного расстояния энергия силовой трубки, связывающей два кварка, возрастает линейно. На достаточно большом расстоянии становится энергетически выгоднее вытянуть пару кварк-антикварк из вакуума, чем увеличивать длину силовой трубки.
Одним из следствий свойства глюонов удерживать адроны является то, что они 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 перемещаться свободно, предсказано, что существуют адроны, которые полностью состоят из глюонов — называемые глюболами . Существуют также предположения о других экзотических адронах реальные глюоны (в отличие от виртуальных , в которых первичными составляющими будут , встречающихся в обычных адронах). За пределами нормальной фазы КХД (при экстремальных температурах и давлениях) кварк-глюонная плазма образуется . В такой плазме нет адронов; кварки и глюоны становятся свободными частицами.
Экспериментальные наблюдения
[ редактировать ]Кварки и глюоны (цветные) проявляются путем фрагментации на большее количество кварков и глюонов, которые, в свою очередь, адронизируются в нормальные (бесцветные) частицы, коррелирующие в струях. Как выяснилось на летних конференциях 1978 года, [2] Детектор ПЛУТО на электрон-позитронном коллайдере DORIS ( DESY ) предоставил первое свидетельство того, что адронные распады очень узкого резонанса Υ(9,46) можно интерпретировать как топологии трехструйных событий, создаваемых тремя глюонами. Позже опубликованные анализы того же эксперимента подтвердили эту интерпретацию, а также природу глюона со спином = 1. [14] [15] (см. также воспоминания [2] и эксперименты ПЛУТО ).
Летом 1979 года при более высоких энергиях на электрон-позитронном коллайдере ( DESY) снова наблюдались трехструйные топологии, теперь ясно видимые и интерпретированные глюонное ТАССО тормозное излучение как PETRA . [16] МАРК-J [17] и эксперименты ПЛУТОНА [18] (позже, в 1980 году, также автором JADE [19] ). Свойство глюона спин = 1 было подтверждено в 1980 году ТАССО. [20] и эксперименты ПЛУТОНА [21] (см. также обзор [3] ). В 1991 году последующий эксперимент на LEP накопителе в ЦЕРН снова подтвердил этот результат. [22]
Глюоны играют важную роль в элементарных сильных взаимодействиях между кварками и глюонами, описываемых КХД и изучаемых, в частности, на электрон-протонном коллайдере HERA в DESY. Число и импульсное распределение глюонов в протоне (плотность глюонов) были измерены в двух экспериментах: H1 и ZEUS . [23] в 1996–2007 годах. Вклад глюонов в спин протона был изучен в эксперименте HERMES в HERA. [24] Плотность глюонов в протоне (когда он ведет себя адронно) также была измерена. [25]
Удержание цвета подтверждается неудачей поиска свободных кварков (поиска дробных зарядов). Кварки обычно производятся парами (кварк + антикварк), чтобы компенсировать квантовые числа цвета и аромата; однако в Фермилабе единичное образование топ-кварков . было показано [б] [26] Никакого глюбола не было продемонстрировано.
О снятии ограничения было заявлено в 2000 году в CERN SPS. [27] в столкновениях тяжелых ионов , и это подразумевает новое состояние материи: кварк-глюонную плазму , менее интерактивную, чем в ядре , почти как в жидкости. Он был обнаружен на релятивистском коллайдере тяжелых ионов (RHIC) в Брукхейвене в 2004–2010 годах в результате четырех одновременных экспериментов. [28] Состояние кварк-глюонной плазмы было подтверждено на Большом адронном коллайдере ЦЕРН (LHC) тремя экспериментами ALICE , ATLAS и CMS в 2010 году. [29]
Джефферсона лаборатории Ускоритель непрерывного электронного пучка в Ньюпорт-Ньюсе, штат Вирджиния , [с] является одним из 10 объектов Министерства энергетики , занимающихся исследованиями глюонов. Лаборатория Вирджинии конкурировала с другим учреждением – Брукхейвенской национальной лабораторией на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк – за средства на строительство нового электрон-ионного коллайдера . [30] В декабре 2019 года Министерство энергетики США выбрало Брукхейвенскую национальную лабораторию для размещения электрон-ионного коллайдера . [31]
См. также
[ редактировать ]- Кварк
- Адронный
- Мезон
- Калибровочный бозон
- Кварковая модель
- Квантовая хромодинамика
- Кварк-глюонная плазма
- Ограничение цвета
- Глюббол
- Глюонное поле
- Тензор напряженности глюонного поля
- Экзотические адроны
- Стандартная модель
- Трехреактивное мероприятие
- Глубоко неупругое рассеяние
- Энергия связи квантовой хромодинамики
- Специальная унитарная группа
- Адронизация
- Цветовой заряд
- Константа связи
Сноски
[ редактировать ]- ↑ В интервью Гелл-Манн сказал, что, по его мнению, этот термин был придуман Эдвардом Теллером . [8]
- ^ Технически производство одиночного топ-кварка в Фермилабе по-прежнему предполагает парное производство, но кварк и антикварк имеют разные вкусы.
- ↑ «Лаборатория Джефферсона» — прозвище Национального ускорительного центра Томаса Джефферсона в Ньюпорт-Ньюсе, штат Вирджиния .
Ссылки
[ редактировать ]- ^ М. Гелл-Манн (1962). «Симметрии барионов и мезонов» (PDF) . Физический обзор . 125 (3): 1067–1084. Бибкод : 1962PhRv..125.1067G . дои : 10.1103/PhysRev.125.1067 . Архивировано (PDF) из оригинала 21 октября 2012 г. . Однако это без привязки к цвету. Для современного использования см. Фрич, Х.; Гелл-Манн, М.; Лейтвайлер, Х. (ноябрь 1973 г.). «Преимущества цветного октетно-глюонного изображения». Буквы по физике Б. 47 (4): 365–368. Бибкод : 1973PhLB...47..365F . CiteSeerX 10.1.1.453.4712 . дои : 10.1016/0370-2693(73)90625-4 .
- ^ Перейти обратно: а б с Б.Р. Стелла и Х.-Ж. Мейер (2011). «Υ(9,46 ГэВ) и открытие глюона (критическое воспоминание о результатах ПЛУТО)». Европейский физический журнал H . 36 (2): 203–243. arXiv : 1008.1869v3 . Бибкод : 2011EPJH...36..203S . дои : 10.1140/epjh/e2011-10029-3 . S2CID 119246507 .
- ^ Перейти обратно: а б П. Сёдинг (2010). «Об открытии глюона» . Европейский физический журнал H . 35 (1): 3–28. Бибкод : 2010EPJH...35....3S . дои : 10.1140/epjh/e2010-00002-5 . S2CID 8289475 .
- ^ «Почему существует восемь глюонов?» .
- ^ Перейти обратно: а б с В.-М. Яо; и др. ( Группа данных о частицах ) (2006). «Обзор физики элементарных частиц» . Журнал физики Г. 33 (1): 1. arXiv : astro-ph/0601168 . Бибкод : 2006JPhG...33....1Y . дои : 10.1088/0954-3899/33/1/001 .
- ^ Ф. Индурайн (1995). «Ограничения на массу глюона». Буквы по физике Б. 345 (4): 524. Бибкод : 1995PhLB..345..524Y . дои : 10.1016/0370-2693(94)01677-5 .
- ^ «Глюоны» . гиперфизика.phy-astr.gsu.edu . Проверено 2 сентября 2023 г.
- ^ Гелл-Манн, Мюррей (1997). «Партон Фейнмана» (Интервью). № 131. Беседует Джеффри Уэст.
- ^ Гаристо, Даниэль (30 мая 2017 г.). «Краткая этимология физики элементарных частиц | журнал симметрии» . Журнал «Симметрия» . Проверено 2 февраля 2024 г.
- ^ Фельтесс, Жоэль (2010). «Введение в функции распределения партонов» . Схоларпедия . 5 (11): 10160. Бибкод : 2010SchpJ...510160F . doi : 10.4249/scholarpedia.10160 . ISSN 1941-6016 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Дэвид Гриффитс (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Уайли и сыновья . стр. 280–281. ISBN 978-0-471-60386-3 .
- ^ Дж. Баэз. «Почему существует восемь глюонов, а не девять?» . math.ucr.edu . Проверено 13 сентября 2009 г.
- ^ «Почему существует только 8 глюонов?» . Форбс .
- ^ Бергер, Ч.; и др. (сотрудничество ПЛУТО) (1979). «Струйный анализ распада Υ(9.46) на заряженные адроны». Буквы по физике Б. 82 (3–4): 449. Бибкод : 1979PhLB...82..449B . дои : 10.1016/0370-2693(79)90265-X .
- ^ Бергер, Ч.; и др. (сотрудничество ПЛУТО) (1981). «Топология распада Υ». Журнал физики С. 8 (2): 101. Бибкод : 1981ZPhyC...8..101B . дои : 10.1007/BF01547873 . S2CID 124931350 .
- ^ Бранделик, Р.; и др. ( сотрудничество ТАССО ) (1979). «Свидетельства планарных событий в e + и − аннигиляция при высоких энергиях». Physics Letters B. 86 ( 2): 243–249. Bibcode : 1979PhLB...86..243B . doi : 10.1016/0370-2693(79)90830-X .
- ^ Барбер, ДП; и др. (сотрудничество MARK-J) (1979). «Открытие трехструйных событий и испытание квантовой хромодинамики в PETRA». Письма о физических отзывах . 43 (12): 830. Бибкод : 1979PhRvL..43..830B . doi : 10.1103/PhysRevLett.43.830 . S2CID 13903005 .
- ^ Бергер, Ч.; и др. (сотрудничество ПЛУТО) (1979). «Доказательства существования тормозного света глюона в электронной + и − Аннигиляции при высоких энергиях». Physics Letters B. 86 ( 3–4): 418. Бибкод : 1979PhLB...86..418B . doi : 10.1016/0370-2693(79)90869-4 .
- ^ Бартель, В.; и др. (сотрудничество JADE) (1980). «Наблюдение плоских трехструйных событий в e + и − аннигиляция и доказательства тормозного излучения глюонов» . Physics Letters B. 91 ( 1): 142. Bibcode : 1980PhLB...91..142B . doi : 10.1016/0370-2693(80)90680-2 .
- ^ Бранделик, Р.; и др. ( сотрудничество ТАССО ) (1980). «Доказательства существования глюона со спином 1 в трехструйных событиях». Буквы по физике Б. 97 (3–4): 453. Бибкод : 1980PhLB...97..453B . дои : 10.1016/0370-2693(80)90639-5 .
- ^ Бергер, Ч.; и др. (сотрудничество ПЛУТО) (1980). «Исследование многореактивных событий в э. + и − аннигиляция». Physics Letters B. 97 ( 3–4): 459. Бибкод : 1980PhLB...97..459B . doi : 10.1016/0370-2693(80)90640-1 .
- ^ Александр, Г.; и др. ( сотрудничество OPAL ) (1991). «Измерение трехструйных распределений, чувствительных к спину глюона в e + и − 91 PDF при » ( = ) Аннигиляции ГэВ √s « :10.1007/BF01562326. S2CID 51746005.
- ^ Линдеман, Л.; и др. (сотрудничество H1 и ZEUS) (1997). «Структурные функции протона и плотность глюонов в HERA». Ядерная физика Б: Приложения к сборнику трудов . 64 (1): 179–183. Бибкод : 1998НуФС..64..179Л . дои : 10.1016/S0920-5632(97)01057-8 .
- ^ «Вращающийся мир в DESY» . www-hermes.desy.de . Архивировано из оригинала 25 мая 2021 года . Проверено 26 марта 2018 г.
- ^ Адлофф, К.; и др. (сотрудничество H1) (1999). «Сечения заряженных частиц при фоторождении и выделении глюонной плотности в фотоне». Европейский физический журнал C . 10 (3): 363–372. arXiv : hep-ex/9810020 . Бибкод : 1999EPJC...10..363H . дои : 10.1007/s100520050761 . S2CID 17420774 .
- ^ Чалмерс, М. (6 марта 2009 г.). «Лучший результат для Тэватрона» . Мир физики . Проверено 2 апреля 2012 г.
- ^ Абреу, MC; и др. (сотрудничество NA50) (2000). «Доказательства отделения кварка и антикварка из картины подавления J / Ψ, измеренной в столкновениях Pb-Pb в CERN SpS» . Буквы по физике Б. 477 (1–3): 28–36. Бибкод : 2000PhLB..477...28A . дои : 10.1016/S0370-2693(00)00237-9 .
- ^ Овербай, Д. (15 февраля 2010 г.). «В Брукхейвенском коллайдере ученые ненадолго нарушают закон природы» . Нью-Йорк Таймс . Архивировано из оригинала 2 января 2022 года . Проверено 2 апреля 2012 г.
- ^ «Эксперименты БАКа открывают новое понимание первозданной Вселенной» (Пресс-релиз). ЦЕРН . 26 ноября 2010 г. Проверено 20 ноября 2016 г. .
- ^ Нолан, Джим (19 октября 2015 г.). «Государство надеется на большой экономический взрыв, поскольку лаборатория Джеффа подает заявку на создание ионного коллайдера» . Ричмонд Таймс-Диспетч . стр. А1, А7 . Проверено 19 октября 2015 г.
Эти подсказки могут дать ученым лучшее понимание того, что удерживает Вселенную вместе.
- ^ «Министерство энергетики США выбирает Брукхейвенскую национальную лабораторию для размещения нового крупного объекта ядерной физики» (пресс-релиз). ДОУ . 9 января 2020 г. Проверено 1 июня 2020 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]
- А. Али и Г. Крамер (2011). «СТРУИ и КХД: исторический обзор открытия кварковых и глюонных струй и их влияние на КХД». Европейский физический журнал H . 36 (2): 245–326. arXiv : 1012.2288 . Бибкод : 2011EPJH...36..245A . дои : 10.1140/epjh/e2011-10047-1 . S2CID 54062126 .