stringtranslate.com

глюон

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] как аналог клея , который удерживает ядро ​​вместе. [9] Вместе с кварками Ричард Фейнман назвал эти частицы партонами . [10]

Характеристики

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

В отличие от фотона КЭД или трех W- и Z-бозонов слабого взаимодействия , в КХД существует восемь независимых типов глюонов.

Однако глюоны подвержены феномену цветового заряда (из которого они имеют комбинации цвета и антицвета). Кварки несут три типа цветового заряда; Антикварки несут три типа антицвета. Глюоны можно рассматривать как носители как цвета, так и антицвета. Это дает девять возможных комбинаций цвета и антицвета в глюонах. Ниже приводится список этих комбинаций (и их схематические названия):

Диаграмма 2: e + e − → Υ(9.46) → 3g

Это не реальные цветовые состояния наблюдаемых глюонов, а скорее эффективные состояния. Чтобы правильно понять, как они сочетаются, необходимо более подробно рассмотреть математику цветового заряда.

Цветовые синглетные состояния

Часто говорят, что стабильные сильно взаимодействующие частицы (такие как адроны, такие как протон и нейтрон), наблюдаемые в природе, «бесцветны», но, точнее, они находятся в «цветном синглетном» состоянии, которое математически аналогично спиновому синглетному состоянию . . [11] Такие 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]

Другими словами, если бы можно было измерить цвет состояния, то с одинаковой вероятностью оно было бы красно-антижелтым, сине-антисиним или зелено-антизеленым.

Восемь цветовых состояний

Осталось восемь независимых цветовых состояний, которые соответствуют «восьми типам» или «восьми цветам» глюонов. Поскольку состояния можно смешивать, как обсуждалось выше, существует множество способов представления этих состояний, которые известны как «цветовой октет». Один часто используемый список: [11]

Они эквивалентны матрицам Гелл-Манна . Критической особенностью этих конкретных восьми состояний является то, что они линейно независимы , а также независимы от синглетного состояния, следовательно, 3 2  - 1 или 2 3 . Невозможно сложить любую комбинацию этих состояний для получения любого другого, а также невозможно сложить их, чтобы сделать r r , g g или bb [ 12 ] запрещенным синглетным состоянием . 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

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 .

С точки зрения теории групп утверждение об отсутствии цветных синглетных глюонов — это просто утверждение о том, что квантовая хромодинамика обладает симметрией 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

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 до1 × 10–15 метров , примерно размер нуклона . За пределами определенного расстояния энергия силовой трубки, связывающей два кварка, возрастает линейно. На достаточно большом расстоянии становится энергетически выгоднее вытащить 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 , в которых первичными составляющими будут реальные глюоны (в отличие от виртуальных , встречающихся в обычных адронах). 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

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 трехструйные топологии событий, возникающие 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 с ПЛУТО ).

Летом 1979 года при более высоких энергиях на электрон-позитронном коллайдере PETRA (DESY) снова наблюдались трехструйные топологии, теперь ясно видимые и интерпретированные как q q глюонное тормозное излучение , TASSO , [16] MARK-J [17] и Эксперименты PLUTO [18] (позже, в 1980 году, также JADE [19] ). Свойство глюона спин = 1 было подтверждено в 1980 году экспериментами TASSO [20] и PLUTO [21] (см. также обзор [3] ). В 1991 году последующий эксперимент на накопителе LEP 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] Также была измерена плотность глюонов в протоне (когда он ведет себя адронно). [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 было показано единичное образование топ-кварков . [b] [26] Глюбола не было продемонстрировано.

Деконфайнмент был заявлен в 2000 году в CERN SPS [27] при столкновениях тяжелых ионов , и он 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 CERN (LHC) тремя экспериментами ALICE , ATLAS и CMS в 2010 году. [29]

Ускоритель непрерывного электронного пучка лаборатории Джефферсона в Ньюпорт-Ньюсе, штат Вирджиния , [c] 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]

Смотрите также

Сноски

  1. ↑ В интервью Гелл-Манн сказал, что, по его мнению, этот термин был придуман Эдвардом Теллером . [8]
  2. ^ Технически производство одиночного топ-кварка в Фермилабе по-прежнему предполагает парное производство, но кварк и антикварк имеют разные вкусы.
  3. ↑ «Лаборатория Джефферсона» — прозвище Национального ускорительного центра Томаса Джефферсона в Ньюпорт -Ньюсе, штат Вирджиния .

Рекомендации

  1. ^ 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. Fritzsch, H.; 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. 
  2. ^ abc BR Стелла и Х.-Дж. 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.
  3. ^ аб 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.
  4. ^ «Почему существует восемь глюонов?».
  5. ^ abc В.-М. Яо; и другие. ( 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 .
  6. ^ 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.
  7. ^ «Глюоны». гиперфизика.phy-astr.gsu.edu . Проверено 2 сентября 2023 г.
  8. ^ Гелл-Манн, Мюррей (1997). «Партон Фейнмана» (Интервью). № 131. Беседует Джеффри Уэст.
  9. ^ Гаристо, Дэниел (30 мая 2017 г.). «Краткая этимология физики элементарных частиц | журнал симметрии». Журнал «Симметрия» . Проверено 2 февраля 2024 г.
  10. ^ Фельтесс, Жоэль (2010). «Введение в функции распределения партонов». Схоларпедия . 5 (11): 10160. doi :10.4249/scholarpedia.10160. ISSN  1941-6016.
  11. ^ abcde Дэвид Гриффитс (1987). Введение в элементарные частицы . Джон Уайли и сыновья . стр. 280–281. ISBN 978-0-471-60386-3.
  12. ^ Дж. Баэз. «Почему глюонов восемь, а не девять?». math.ucr.edu . Проверено 13 сентября 2009 г.
  13. ^ «Почему глюонов всего 8?». Форбс .
  14. ^ Бергер, Ч.; и другие. (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.
  15. ^ Бергер, Ч.; и другие. (сотрудничество ПЛУТО) (1981). «Топология распада Υ». Zeitschrift für Physik C. 8 (2): 101. Бибкод : 1981ZPhyC...8..101B. дои : 10.1007/BF01547873. S2CID  124931350.
  16. ^ Бранделик, Р.; и другие. ( сотрудничество ТАССО ) (1979). «Доказательства планарных событий в e + e − аннигиляции при высоких энергиях». Буквы по физике Б. 86 (2): 243–249. Бибкод : 1979PhLB...86..243B. дои : 10.1016/0370-2693(79)90830-X.
  17. ^ Барбер, ДП; и другие. (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.
  18. ^ Бергер, Ч.; и другие. (сотрудничество ПЛУТО) (1979). «Доказательства тормозного излучения глюонов в e + e − аннигиляции при высоких энергиях». Буквы по физике Б. 86 (3–4): 418. Бибкод : 1979PhLB...86..418B. дои : 10.1016/0370-2693(79)90869-4.
  19. ^ Бартель, В.; и другие. (сотрудничество JADE) (1980). «Наблюдение плоских трехструйных событий при e + e--аннигиляции и свидетельства глюонного тормозного излучения». Буквы по физике Б. 91 (1): 142. Бибкод : 1980PhLB...91..142B. дои : 10.1016/0370-2693(80)90680-2.
  20. ^ Бранделик, Р.; и другие. ( 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.
  21. ^ Бергер, Ч.; и другие. (сотрудничество ПЛУТО) (1980). «Исследование многоструйных событий при e +  e − аннигиляции». Буквы по физике Б. 97 (3–4): 459. Бибкод : 1980PhLB...97..459B. дои : 10.1016/0370-2693(80)90640-1.
  22. ^ Александр, Г.; и другие. ( сотрудничество OPAL ) (1991). «Измерение трехструйных распределений, чувствительных к спину глюона в аннигиляции e+ e− при √s = 91 ГэВ» (PDF) . Zeitschrift für Physik C. 52 (4): 543. Бибкод : 1991ZPhyC..52..543A. дои : 10.1007/BF01562326. S2CID  51746005.
  23. ^ Линдеман, Л.; и другие. (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 : 1998NuPhS..64..179L. дои : 10.1016/S0920-5632(97)01057-8.
  24. ^ "Вращающийся мир в DESY" . www-hermes.desy.de . Архивировано из оригинала 25 мая 2021 года . Проверено 26 марта 2018 г.
  25. ^ Адлофф, К.; и другие. (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.
  26. ↑ Чалмерс, М. (6 марта 2009 г.). «Лучший результат для Тэватрона». Мир физики . Проверено 2 апреля 2012 г.
  27. ^ Абреу, MC; и другие. (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.
  28. ↑ 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.
  29. ^ «Эксперименты БАКа открывают новое понимание первозданной Вселенной» (пресс-релиз). ЦЕРН . 26 ноября 2010 г. Проверено 20 ноября 2016 г. .
  30. ↑ Нолан, Джим (19 октября 2015 г.). «Государство надеется на большой экономический взрыв, поскольку лаборатория Джеффа подает заявку на строительство 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.
  31. ^ «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

Викискладе есть медиафайлы по теме глюонов .

Внешние ресурсы