stringtranslate.com

Глюббол

В физике элементарных частиц глюбол (также глюоний , глюон-шар ) — гипотетическая составная частица . [1] Он состоит исключительно из глюонных частиц, без валентных кварков . Такое состояние возможно, поскольку глюоны несут цветовой заряд и испытывают сильное взаимодействие между собой. Глюболы чрезвычайно сложно идентифицировать в ускорителях частиц , поскольку они смешиваются с обычными мезонными состояниями. [2] В чистой калибровочной теории глюболы являются единственными состояниями спектра, и некоторые из них устойчивы. [3]

Теоретические расчеты показывают, что глюболы должны существовать в диапазонах энергий, доступных для современной коллайдерной технологии. Однако из-за вышеупомянутой трудности (среди прочих) они до сих пор не наблюдались и не идентифицировались с уверенностью, [4], хотя феноменологические расчеты показали, что экспериментально идентифицированный кандидат на глюбол, обозначенный , обладает свойствами, согласующимися со свойствами, ожидаемыми от стандарта . Модель глюбола. [5]

Предсказание о существовании глюболов — одно из наиболее важных предсказаний Стандартной модели физики элементарных частиц, которое пока не подтверждено экспериментально. [6] Глюбболы — единственные частицы, предсказанные Стандартной моделью, с полным угловым моментом ( J ) (иногда называемым «собственным спином»), который в основном состоянии может быть либо 2, либо 3.

В 2021 году коллаборация TOTEM на БАКе в сотрудничестве с коллаборацией DØ на бывшем коллайдере Тэватрон в Фермилабе объявила об экспериментальных доказательствах обмена оддерона ( сложной глюонной частицы с нечетной C-четностью ). Этот обмен, связанный с безкварковым трехглюонным векторным глюболом, был идентифицирован при сравнении протон-протонного и протон-антипротонного рассеяния. [7] [8] [9]

Характеристики

В принципе, теоретически возможно точно рассчитать все свойства глюболов и вывести их непосредственно из уравнений и фундаментальных физических констант квантовой хромодинамики (КХД) без дополнительных экспериментальных данных. Таким образом, предсказанные свойства этих гипотетических частиц могут быть описаны в мельчайших подробностях, используя только физику Стандартной модели, которая получила широкое признание в литературе по теоретической физике. Но существует значительная неопределенность в измерении некоторых важных ключевых физических констант, а расчеты КХД настолько сложны, что решения этих уравнений почти всегда являются численными аппроксимациями (рассчитанными с использованием нескольких очень разных методов). Это может привести к изменению теоретических предсказаний свойств глюбола, таких как масса и коэффициенты ветвления при распаде глюбола.

Составляющие частицы и цветовой заряд

Теоретические исследования глюболов были сосредоточены на глюболах, состоящих либо из двух, либо из трех глюонов, по аналогии с мезонами и барионами , которые имеют два и три кварка соответственно. Как и в случае с мезонами и барионами, глюболы будут иметь нейтральный цветовой заряд в КХД . Барионное число глюбола равно нулю.

Полный угловой момент

Двухглюонные глюболы могут иметь полный угловой момент J = 0 (который является либо скалярным , либо псевдоскалярным ) или J = 2 ( тензорный ). Трехглюонные глюболы могут иметь полный угловой момент J = 1 ( векторный бозон ) или 3 ( тензорный бозон третьего порядка ). Все глюболы имеют целочисленный полный угловой момент, что означает, что они являются бозонами , а не фермионами .

Глюболлы — единственные частицы, предсказанные Стандартной моделью , с полным угловым моментом (  J ) (иногда называемым «собственным спином» ), которые в своих основных состояниях могут быть либо 2, либо 3, хотя мезоны состоят из двух кварков с J = 0 и J = 1 с близкими массами наблюдались и возбужденные состояния других мезонов могут иметь такие же значения полного углового момента.

Электрический заряд

Все глюболы будут иметь нулевой электрический заряд , поскольку сами глюоны не имеют электрического заряда.

Масса и паритет

Квантовая хромодинамика предсказывает, что глюболы будут массивными, несмотря на то, что сами глюоны имеют нулевую массу покоя в Стандартной модели. Были рассмотрены глюболы со всеми четырьмя возможными комбинациями квантовых чисел P ( пространственная четность ) и C ( зарядовая четность ) для каждого возможного полного углового момента, что привело к созданию по крайней мере пятнадцати возможных состояний глюбола, включая возбужденные состояния глюбола, которые имеют одинаковые квантовые числа, но имеют разные массы с самыми легкими состояниями, имеющими такие низкие массы, как1,4 ГэВ/ с 2 (для глюбола с квантовыми числами J  = 0, P  = +1, C  = +1 или, что эквивалентно, J PC  = 0 ++ ), а самые тяжелые состояния имеют массы почти5 ГэВ/ с 2 (для глюбола с квантовыми числами J  = 0, P  = +1, C  = −1 или J  PC  = 0 +− ). [4]

Эти массы находятся того же порядка, что и массы многих экспериментально наблюдаемых мезонов и барионов , а также массы тау-лептона , очарованного кварка , нижнего кварка , некоторых изотопов водорода и некоторых изотопов гелия .

Каналы стабильности и распада

Точно так же, как все мезоны и барионы Стандартной модели, за исключением протона, нестабильны по отдельности, Стандартная модель предсказывает, что все глюболы нестабильны изолированно, а различные расчеты КХД предсказывают общую ширину распада (которая функционально связана с периодом полураспада). ) для различных состояний глюбола. Расчеты КХД также позволяют предсказать ожидаемые закономерности распада глюболов. [10] [11] Например, глюболы не будут иметь радиационного или двухфотонного распада, но будут распадаться на пары пионов , пары каонов или пары эта-мезонов . [10]

Практическое влияние на макроскопическую физику низких энергий

Диаграмма Фейнмана глюбола ( G ), распадающегося на два пиона (
π
). Такие распады помогают в изучении и поиске глюболов. [12]

Поскольку глюболы Стандартной модели настолько эфемерны (почти сразу же распадаются на более стабильные продукты распада) и генерируются только в физике высоких энергий, глюболы возникают только синтетически в естественных условиях, существующих на Земле, которые люди могут легко наблюдать. Они примечательны с научной точки зрения главным образом потому, что представляют собой проверяемое предсказание Стандартной модели, а не из-за феноменологического воздействия на макроскопические процессы или их инженерные приложения.

Решетчатое моделирование КХД

Решетчатая КХД дает возможность изучить спектр глюбола теоретически и на основе первых принципов. Одними из первых величин, рассчитанных с использованием методов решеточной КХД (в 1980 году), были оценки массы глюбола. [13] Морнингстар и Пирдон [14] в 1999 году вычислили массы легчайших глюболов в КХД без динамических кварков. Три самых низких штата представлены в таблице ниже. Присутствие динамических кварков немного изменило бы эти данные, но также усложнило бы вычисления. С тех пор расчеты в рамках КХД (правила решетки и сумм) показывают, что самый легкий глюбол представляет собой скаляр с массой в диапазоне около1000–1700 МэВ/ c 2 . [4] Решеточные предсказания для скалярных и псевдоскалярных глюболов, включая их возбуждения, были подтверждены уравнениями Дайсона-Швингера/Бете-Солпитера в теории Янга-Миллса. [15]

Экспериментальные кандидаты

Эксперименты на ускорителях частиц часто позволяют идентифицировать нестабильные составные частицы и присвоить этим частицам массы с точностью примерно10 МэВ/ c 2 , не имея возможности сразу приписать наблюдаемому резонансу частицы все свойства этой частицы. Было обнаружено множество таких частиц, хотя частицы, обнаруженные в некоторых экспериментах, но не в других, можно рассматривать как сомнительные. Некоторые из резонансов частиц-кандидатов, которые могут быть глюболами, хотя доказательства не являются окончательными, включают следующее:

Векторные, псевдовекторные или тензорные кандидаты в глюболы

Кандидаты на скалярный глюбол

Другие кандидаты

Многие из этих кандидатов были объектом активного расследования на протяжении как минимум восемнадцати лет. [10] Эксперимент GlueX был специально разработан для получения более точных экспериментальных доказательств существования глюболов. [16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Клоуз, Фрэнк; Пейдж, Филип Р. (ноябрь 1998 г.). «Глюболы». Научный американец . 279 (5): 80–85. JSTOR  26058158.
  2. ^ Винсент Матье; Николай Кочелев; Висенте Венто (2009). «Физика глюболов». Международный журнал современной физики Э. 18 (1): 1–49. arXiv : 0810.4453 . Бибкод : 2009IJMPE..18....1M. дои : 10.1142/S0218301309012124. S2CID  119229404.Глюболл на arxiv.org
  3. ^ Шуряк, Э. (2021). «9». Непертурбативные топологические явления в КХД и родственных теориях . Спрингер. п. 233. ИСБН 978-3030629892.
  4. ^ abcdefghi Вольфганг Охс (2013). «Состояние глюболов». Журнал физики Г. 40 (4): 043001. arXiv : 1301.5183 . Бибкод : 2013JPhG...40d3001O. дои : 10.1088/0954-3899/40/4/043001. S2CID  73696704.
  5. ^ Фредерик Брюннер; Антон Ребхан (21 сентября 2015 г.). «Нехиральное усиление скалярного распада глюбола в модели Виттена – Сакаи – Сугимото». Физ. Преподобный Летт . 115 (13): 131601. arXiv : 1504.05815 . Бибкод : 2015PhRvL.115m1601B. doi : 10.1103/PhysRevLett.115.131601. PMID  26451541. S2CID  14043746.
  6. ^ Аб Сяо, ЮК; Гэн, CQ (2013). «Идентификация глюбола при энергии 3,02 ГэВ в барионных B-распадах». Буквы по физике Б. 727 (1–3): 168–171. arXiv : 1302.3331 . Бибкод : 2013PhLB..727..168H. doi :10.1016/j.physletb.2013.10.008. S2CID  119235634.
  7. ^ Сотрудничество D0 †; Сотрудничество ТОТЕМ‡; Абазов В.М.; Эбботт, Б.; Ачарья, Б.С.; Адамс, М.; Адамс, Т.; Агнью, JP; Алексеев, Г.Д.; Алхазов Г.; Альтон, А. (04 августа 2021 г.). «Обмен оддероном на основе различий в упругом рассеянии между данными $pp$ и $p\overline{p}$ при энергии 1,96 ТэВ и на основе измерений $pp$ рассеяния вперед». Письма о физических отзывах . 127 (6): 062003. arXiv : 2012.03981 . doi :10.1103/PhysRevLett.127.062003. hdl : 10138/333366 . PMID  34420329. S2CID  237267938.{{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
  8. ↑ Чалмерс, Мэтью (9 марта 2021 г.). «Оддерон обнаружен». ЦЕРН Курьер . Проверено 13 апреля 2021 г.
  9. ^ Чорго, Т.; Новак, Т.; Стер, А.; Саньи, И. (23 февраля 2021 г.). «Доказательства оддеронного обмена на основе масштабных свойств упругого рассеяния при энергиях ТэВ». Европейский физический журнал C . Springer Nature Switzerland AG. 81 (180): 180. arXiv : 1912.11968 . Бибкод : 2021EPJC...81..180C. doi : 10.1140/epjc/s10052-021-08867-6 . ISSN  1434-6052.
  10. ^ abc Таки, Уолтер (1996). «В поисках глюболов» (PDF) . Стэнфордский линейный ускоритель . Стэндфордский Университет .
  11. ^ Эшраим, Валаа И.; Яновский, Станислав (2013). «Коэффициенты ветвления псевдоскалярного глюбола с массой 2,6 ГэВ». arXiv : 1301.3345 . {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  12. ^ Т. Коэн; Ф. Ж. Льянес-Эстрада; Дж. Р. Пелаес; Х. Руис де Эльвира (2014). «Необычные легкие мезонные связи и расширение 1/Nc». Физический обзор D . 90 (3): 036003. arXiv : 1405.4831 . Бибкод : 2014PhRvD..90c6003C. doi :10.1103/PhysRevD.90.036003. S2CID  53313057.
  13. ^ Б. Берг. Корреляции Плакет–Плакет в калибровочной теории решетки su(2). Физ. Летт., В97:401, 1980.
  14. ^ Колин Дж. Морнингстар; Майк Пирдон (1999). «Спект Глюбола из исследования анизотропной решетки». Физический обзор D . 60 (3): 034509. arXiv : hep-lat/9901004 . Бибкод : 1999PhRvD..60c4509M. doi :10.1103/PhysRevD.60.034509. S2CID  18787544.
  15. ^ М. Хубер, К.С. Фишер, Х. Санчис-Алепуз, Спектр скалярных и псевдоскалярных глюболов из функциональных методов. Eur.Phys.JC 80 (2020) 11, 1077
  16. ^ «Физика GlueX».